+

WO2023161113A1 - Mems tapping-mode cantilever as acoustic nanoforce sensor - Google Patents

Mems tapping-mode cantilever as acoustic nanoforce sensor Download PDF

Info

Publication number
WO2023161113A1
WO2023161113A1 PCT/EP2023/053859 EP2023053859W WO2023161113A1 WO 2023161113 A1 WO2023161113 A1 WO 2023161113A1 EP 2023053859 W EP2023053859 W EP 2023053859W WO 2023161113 A1 WO2023161113 A1 WO 2023161113A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
microphone
cantilever
measuring tip
membrane
mems
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/053859
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Achim Bittner
Daniel BIESINGER
Original Assignee
Hahn-Schickard-Gesellschaft Für Angewandte Forschung E. V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hahn-Schickard-Gesellschaft Für Angewandte Forschung E. V. filed Critical Hahn-Schickard-Gesellschaft Für Angewandte Forschung E. V.
Priority to CN202380022931.9A priority Critical patent/CN118749202A/en
Priority to EP23704801.2A priority patent/EP4483585A1/en
Publication of WO2023161113A1 publication Critical patent/WO2023161113A1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R3/00Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/08Mouthpieces; Microphones; Attachments therefor
    • H04R1/083Special constructions of mouthpieces
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00Electrostatic transducers
    • H04R19/005Electrostatic transducers using semiconductor materials
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2201/00Details of transducers, loudspeakers or microphones covered by H04R1/00 but not provided for in any of its subgroups
    • H04R2201/003Mems transducers or their use
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2410/00Microphones
    • H04R2410/03Reduction of intrinsic noise in microphones

Definitions

  • the invention relates to the technical field of MEMS microphones.
  • the invention relates to a MEMS microphone for detecting acoustic signals.
  • the MEMS microphone has an oscillatable microphone membrane that is excited to vibrate by sound waves that pass through a sound inlet opening.
  • the MEMS microphone has a cantilever including a measuring tip.
  • the cantilever is actively excited to oscillate by an actuator, so that the measuring tip is guided to the microphone membrane in a non-contact oscillating manner.
  • a tunnel current flows between the microphone membrane and the measuring tip, with which the vibration behavior of the microphone membrane, which depends on the sound waves, can be detected.
  • An electronic circuit is set up to measure the tunneling current between the microphone membrane and the measuring tip.
  • the MEMS microphone according to the invention makes it possible to detect particularly low sound pressure levels with high resolution.
  • the invention relates to methods for detecting acoustic signals using the MEMS microphone according to the invention.
  • Microphones are electro-acoustic transducers that convert a sound event, i. H. convert sound waves into an electrical signal.
  • the electrical signal corresponds to the acoustic input signal.
  • MEMS microelectromechanical system
  • MEMS microelectromechanical system
  • a MEMS microphone usually includes an oscillatable microphone membrane that is set up to record pressure waves of a fluid.
  • the fluid can be either a gaseous or a liquid fluid, preferably sound pressure waves.
  • a MEMS microphone preferably converts pressure waves into electrical signals and thus represents a sound detector.
  • MEMS microphones have a number of advantages. For example, due to their compact design, they can be arranged in arrays in a particularly simple manner, which can be used for sound measurements with a directional characteristic. In addition, they can be manufactured using common, largely automated processes in semiconductor technology. It is known from the prior art to combine MEMS microphones with other measurement sensors in order to measure a number of measurement signals and thereby be able to cover more diverse measurement ranges and applications.
  • US 2015/0158722 A1 discloses a MEMS device which has a MEMS microphone and a further MEMS sensor in the form of a motion sensor. In an embodiment described therein, the membrane of the MEMS microphone is in front of a perforated backplate.
  • the MEMS microphone sits on a substrate that has an opening for sound waves to enter. Furthermore, there is another sensor on the substrate, which is z. B. can be a gyroscope, an acceleration sensor or a pressure sensor. In addition to the measurement of quantities by the MEMS microphone and the other sensors, other information can also be measured and/or processed, such as ultrasonic waves, infrared light, temperature, humidity and/or a gas species in the environment of the MEMS device.
  • MEMS microphones are designed for audio applications; H. for phones and/or hearing aids. These applications are mostly characterized by a bandwidth of less than 20 kHz and a sound pressure level of less than approx. 120 dB.
  • Photoacoustic gas sensors as such are already well known in the prior art.
  • a variant of a photoacoustic gas sensor is disclosed in US 2011/0296900 A1. All components for operational suitability are installed in one or as a MEMS device.
  • the photoacoustic gas sensor has an infrared source mounted on a substrate.
  • An integrated microphone can be on the substrate itself or on a second substrate.
  • a filter for the infrared light is present on a third substrate.
  • In Sievilä et al. (2013) discloses a manufacturing method of a cantilever and a sensor arrangement to measure the sound pressure level in the context of photoacoustic spectroscopy.
  • modulated infrared light is emitted into a sample cell containing a gas that absorbs the wavelength of the infrared light.
  • At one end of the A cantilever is located in the sample cell, which is deflected by the absorption of the infrared light.
  • a Michelson-Morley interferometer Outside the sample cell is a Michelson-Morley interferometer.
  • the beam path of the Michelson-Morley interferometer is designed in such a way that it hits the cantilever through a transparent window.
  • a change in the absorption of the gas also affects the position of the cantilever and thus also the beam path of the Michelson-Morley interferometer. A change in the sound pressure is thus measured. Further applications are not described here.
  • the structure is complex, particularly due to the use of a Michelson-Morley interferometer, and is disadvantageous for a compact configuration of the measuring system.
  • US 2005/0249041 A1 discloses a MEMS microphone that is said to have increased sensitivity.
  • the MEMS microphone of US 2005/0249041 A1 is intended i.a. have various advantages over a theoretical approach outlined in the introductory paragraphs [0007] and [0008] of US 2005/0249041 A1.
  • a tunnel current between a measuring tip and the membrane is kept constant by a closed control loop.
  • the cantilever, to which the measuring tip is attached is tracked when the membrane is caused to vibrate by impacting sound waves.
  • such a method would disadvantageously have a high sensitivity against B. vibration and be more expensive to manufacture.
  • the MEMS microphone disclosed according to the teaching of US 2005/0249041 A1 comprises a measuring tip which is located on a perforated, ie provided with openings, support plate and directly behind the microphone membrane.
  • the microphone membrane is caused to vibrate by the sound waves that occur.
  • a tunnel current flows between the measuring tip on the support plate and the microphone membrane, which is evaluated as a measuring signal.
  • the measuring tip itself does not move, which is intended to reduce the influence of vibration and eliminate the need to check the movement of the measuring tip.
  • the sound to be detected can be lost through the openings in the support plate, with the result that the sound is not measured with great accuracy.
  • the microphone membrane can touch the measuring tip, since the measuring tip is not designed to be movable.
  • the measurement is thus static. If the measuring tip and the microphone membrane touch, a tunnel current no longer flows, but an ohmic current, which leads to a change in the measurement signal and can affect reliable and long-term operation. There is therefore a need for improvement with regard to the provision of MEMS microphones for sensitive measurements, even at low sound pressure levels.
  • the object of the invention was to eliminate the disadvantages of the prior art and to provide a MEMS microphone with which low sound pressure levels can be measured with high resolution. Furthermore, the MEMS microphone should preferably be characterized by the possibility of particularly reliable and long-lasting measurements and an inexpensive and compact structure.
  • the invention relates to a MEMS microphone for detecting acoustic signals, comprising a sound entry opening, an oscillatable microphone membrane and an electronic circuit, with sound waves entering through the sound entry opening exciting the oscillatable microphone membrane to oscillate, characterized in that the MEMS microphone has a cantilever comprising a measuring tip and an actuator, wherein the electronic circuit is set up to measure a tunnel current between the microphone membrane and the measuring tip and to actively excite the cantilever to oscillate, with the measuring tip being guided to the microphone membrane in a contactless oscillating manner in order to detect acoustic signals, while the measurable tunnel current allows detection of the vibration behavior of the microphone membrane, which is dependent on the sound waves.
  • the MEMS microphone according to the invention has proven to be extremely advantageous in that it can measure low sound pressure levels precisely with a particularly high resolution.
  • the MEMS microphone has a significantly higher sensitivity than the known MEMS microphones of the prior art. This is noticeable, for example, in the fact that a particularly high signal-to-noise ratio can be achieved despite the low sound pressure level.
  • the high sensitivity at low sound pressure levels is based on the advantageous measuring principle using a tunnel current.
  • the cantilever is preferably guided to the microphone diaphragm, encompassing the measuring tip, by the actuator and vibrating without contact.
  • the distance between the measuring tip and the microphone membrane is so small that a tunnel current flows between the microphone membrane and the measuring tip due to the quantum mechanical tunnel effect.
  • the tunnel current preferably flows by applying a voltage.
  • the tunnel current depends exponentially on the distance between the microphone membrane and the measuring tip. Due to the highly sensitive dependence of the tunnel current on the distance, even the smallest changes in distance between the microphone membrane and the measuring tip can be recorded by measuring the tunnel current.
  • the distance between the measuring tip and the microphone membrane preferably changes periodically with the known periodicity of the exciting oscillation.
  • the tunnel current is therefore preferably a periodic signal whose amplitude depends on the distance between the measuring tip and the microphone membrane during the oscillation.
  • a sound event occurs, i. H. If sound waves hit the microphone membrane, the microphone membrane is deflected and itself set into vibration. This changes the distance between the microphone membrane and the vibrating measuring tip. The measurable tunnel current therefore changes as a function of the vibration behavior of the microphone diaphragm, which is dependent on the sound waves.
  • the device can be configured differently.
  • the detection can be carried out in such a way that the deflection and center position of the oscillating measuring tip on the cantilever is not changed, so that the distance between this and the measuring tip changes due to a vibration of the microphone membrane and thus also the tunnel current.
  • the device can also be designed such that the center position of the oscillation of the cantilever is adjusted in order to keep the amplitude of the tunnel current constant.
  • This configuration would correspond to a constant current mode measurement principle, with the tunnel current or its amplitude being used as a controlled variable for the middle position of the oscillating measuring tip.
  • tunnel current signal is extremely sensitive even to the smallest deflections of the microphone diaphragm, so that extremely small changes in the sound pressure level are reliably detected.
  • Particularly low sound pressure levels can advantageously be measured with high accuracy by means of the device according to the invention.
  • the MEMS microphone according to the invention can advantageously measure sound pressure levels which, in particular, are less than approx.
  • the MEMS microphone according to the invention can measure low sound pressure levels with a particularly high signal-to-noise ratio.
  • Terms such as essentially, approximately etc. preferably describe a tolerance range of less than ⁇ 40%, preferably less than ⁇ 20%, particularly preferably less than ⁇ 10%, even more preferably less than ⁇ 5% and in particular less than ⁇ 1% and include in particular the exact value. Partially describes preferably at least 5%, more preferably at least 10%, and especially at least 20%, in some cases at least 40%.
  • the method according to the invention is advantageous in that contact with the microphone membrane is avoided due to the ability of the measuring tip to move, in particular due to the vibration of the measuring tip.
  • a possible touch could for example, in US 2005/0249041 A1, when the microphone membrane experiences strong deflections at high sound pressure levels.
  • this can be avoided by the MEMS microphone according to the invention, since the measuring tip is guided to the microphone membrane in a non-contact oscillating manner. Consequently, wear and tear is avoided and long-lasting functionality of the MEMS microphone according to the invention is ensured.
  • the dynamic measurement of the tunnel current by means of a non-contact oscillating measuring tip allows highly sensitive scanning of the vibration behavior of the membrane for almost any frequency range.
  • the modulation frequency of the oscillating measuring tip can be freely selected, so that measurements can be taken at very low (0 Hz) to very high frequencies (MHz) regardless of the excitation frequency. Because the modulation frequency of the measuring tip is independent of the excitation frequency, a high signal-to-noise ratio can advantageously be achieved over a wide frequency range. This represents a particular advantage over known MEMS microphones, which exhibit increased noise, particularly at lower frequencies.
  • the cantilever including the measuring tip, performs a periodic oscillation, to which it is actively excited.
  • the periodic oscillation of the cantilever preferably takes place in the sense of a tapping.
  • This preferably means that the cantilever executes a continuous, periodic oscillation that is independent of a movement of the microphone membrane.
  • the measuring tip is guided to the microphone membrane while vibrating without contact, in order to enable the detection of any vibrations of the membrane if it is excited by sound waves.
  • the measuring tip consequently changes the distance to the oscillating membrane, preferably periodically.
  • the MEMS microphone according to the invention also differs from the disadvantageous approach described in US 2005/0249041 A1 in paragraphs [0007] and [0008], in which a measuring tip of a cantilever tracks any vibrations of the membrane.
  • a measuring tip of a cantilever tracks any vibrations of the membrane.
  • the actively excited periodic oscillation of the cantilever in the sense of tapping according to the invention is therefore not to be compared with tracking the cantilever to oscillations of the microphone membrane, which merely follows any movements of the membrane due to sound excitation. Instead, the actively stimulated periodic oscillation of the cantilever occurs independently of the oscillations of the microphone membrane and is maintained over the entire detection process.
  • the vibration of the cantilever preferably takes place at a frequency which is many times higher (for example by a factor of 2, 3, 4 or more) than the expected vibrations of the microphone membrane.
  • a disadvantageously high sensitivity with regard to vibrations can also be avoided.
  • Active excitation of the cantilever to cause periodic oscillations can thus advantageously ensure the measurement of sound events with high sensitivity even at an extremely low sound pressure level.
  • the MEMS microphone according to the invention advantageously succeeds in reducing or eliminating the influence of interference factors.
  • the MEMS microphone according to the invention is advantageous in that there are no flow losses in the fluid in which the sound propagates. Instead, the sound preferably hits the microphone membrane directly, without the sound waves being distorted or energy losses being caused by other components. A particularly accurate and undistorted signal can thus advantageously be measured. In this regard, it can also be preferred that the MEMS microphone according to the invention has no further openings apart from a sound entry opening.
  • the MEMS microphone according to the invention can advantageously be produced in a particularly process-efficient manner, since it can be provided using standardized processes in semiconductor and microsystems technology.
  • proven, automated methods of semiconductor processing can be used in order to implement cost-effective mass production.
  • the MEMS microphone according to the invention uses a new application of measuring tips that are known from scanning tunneling microscopy and can therefore also use known processes for producing such measuring tips.
  • the measuring tip according to the invention is not used to record the structure of a material surface, but rather for acoustic purposes to detect sound events.
  • the MEMS microphone according to the invention thus efficiently combines two different technical fields in order to enable a significant improvement in terms of the detection of acoustic signals.
  • the MEMS microphone according to the invention represents an advantageous further development of conventional MEMS microphones, in which highly sensitive measurements of the vibration behavior of a microphone membrane are used by dynamic measurement of a tunnel current and the measurement range of the MEMS microphone in terms of sound pressure level can be extended well below 20 dB .
  • the fact that the distance between the measuring tip and the microphone membrane depends exponentially on the distance is used here.
  • Alternative measurement methods, such as capacitive measurement methods only show a linear correlation between the (capacitive) measurement signal and the deflection of the microphone membrane.
  • a MEMS microphone preferably designates a microphone which is based on MEMS technology and whose sound-recording structures are at least partially dimensioned in the micrometer range (approx. 1 ⁇ m to approximately 1000 ⁇ m).
  • the sound-recording structures are preferably referred to as microphone membranes.
  • the width, height and/or thickness of the microphone membrane can preferably be less than 1000 ⁇ m.
  • the microphone diaphragm is preferably two-dimensional, which means in particular that its extension in each of the two dimensions (height, width) of its surface is greater than in one dimension perpendicular thereto (the thickness). For example, size ratios of at least 5:1, preferably at least 10:1, 50:1 or more can be preferred.
  • the length or width of the microphone membrane is between 1 ⁇ m and 1000 ⁇ m, preferably between 10 ⁇ m and 500 ⁇ m.
  • Intermediate ranges from the above ranges can also be preferred, such as 1 ⁇ m to 10 ⁇ m, 10 ⁇ m to 50 ⁇ m, 50 ⁇ m to 100 ⁇ m, 100 ⁇ m to 200 ⁇ m, 200 ⁇ m to 300 ⁇ m, 300 ⁇ m to 400 ⁇ m, 400 ⁇ m to 500 ⁇ m pm, 600 pm to 700 pm, 700 pm to 800 pm, 800 pm to 900 pm or also 900 pm to 1000 pm.
  • the aforementioned range limits can also be combined in order to obtain further preferred ranges, such as 10 ⁇ m to 200 ⁇ m, 50 ⁇ m to 300 ⁇ m or also 100 ⁇ m to 600 ⁇ m.
  • the thickness of the membrane is between 100 nm and 10 ⁇ m, preferably between 500 nm and 5 ⁇ m.
  • Intermediate ranges from the aforementioned ranges can also be preferred, for example 100 nm to 500 nm, 500 nm to 1 ⁇ m, 1 ⁇ m to 1.5 ⁇ m, 1.5 ⁇ m to 2 ⁇ m, 2 ⁇ m to 3 ⁇ m, 3 ⁇ m to 4 ⁇ m , 4 pm to 5 pm, 5 pm to 6 pm, 6 pm to 7 pm, 7 pm to 8 pm, 8 pm to 9 pm or also 9 pm to 10 pm.
  • the aforementioned range limits can also be combined in order to obtain further preferred ranges, such as 500 nm to 3 pm, 1 pm to 5 pm or even 1500 nm to 6 pm.
  • MEMS microphones In the course of the development of MEMS microphones, different construction types have become established. These can be categorized according to the type of sound they are fed into. If the sound hits the microphone membrane via the underside of the housing, this is referred to as a bottom-port MEMS microphone. Bottom-port MEMS microphones also require an opening on the substrate on which the components of the MEMS microphone are located (also called the carrier substrate), because this is the only way for sound waves to find their way to the microphone membrane. If the sound hits the sensor via the top of the housing, it is called a top-port MEMS microphone. Whether a top-port or bottom-port MEMS microphone is preferred mostly depends on factors such as the placement of the microphone in the product and/or manufacturing considerations.
  • the MEMS microphone can be a top port MEMS microphone or a bottom port MEMS microphone.
  • the microphone membrane is set up to record pressure waves of the fluid.
  • the fluid can be either a gaseous or a liquid fluid, preferably sound pressure waves.
  • a MEMS microphone therefore preferably converts pressure waves into electrical signals.
  • the microphone membrane is preferably sufficiently thin so that it bends under the influence of the changes in air pressure caused by the sound waves and changes to an oscillating behavior.
  • electrical quantities can change, such as the current strength of the tunnel current between the microphone membrane and the measuring tip.
  • the change in an electrical variable can be measured, recorded and/or evaluated by an electronic circuit preferably installed in the MEMS microphone, for example an ASIC or a computing unit.
  • the electronic circuit preferably measures changes in such electrical quantities that arise when the microphone membrane vibrates under the influence of sound waves.
  • the electronic circuit preferably converts the vibrations of the microphone diaphragm into electrical signals.
  • the electronic circuit preferably includes electrical connections, for example wires.
  • the electronic circuit is preferably connected to the cantilever and/or the measuring tip, so that the tunnel current can preferably be read out.
  • the electronic circuit can have an ASIC (English application-specific integrated circuit, German application-specific integrated circuit), a computing unit, an integrated circuit (IC), a programmable logic circuit (PLD), a Field Programmable Gate Array (FPGA), a microprocessor , Have a microcomputer, a programmable logic controller and / or other electronic circuit elements.
  • ASIC American application-specific integrated circuit, German application-specific integrated circuit
  • IC integrated circuit
  • PLD programmable logic circuit
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • microprocessor Have a microcomputer, a programmable logic controller and / or other electronic circuit elements.
  • the electronic circuit is preferably set up on the one hand to carry out a measurement of a tunnel current between the microphone membrane and the measuring tip. On the other hand, the electronic circuit is preferably set up to bring about an active excitation of the cantilever to oscillate.
  • the formulation according to which the electronic circuit is set up to carry out a specific method step, such as measuring a tunnel current or actively exciting the cantilever to oscillate preferably means that software or firmware is installed on the electronic circuit, which includes the commands mentioned carry out procedural steps.
  • the electronic circuit is preferably programmable, so that settings with regard to the operation of the MEMS microphone can have different operating options. It can thus be preferred that an excitation mode with regard to the measuring tip and/or the cantilever can be selected, for which purpose various operating options can be installed in the software, for example.
  • the sound entry opening preferably designates an opening of the MEMS microphone through which sound waves can pass and impinge on the microphone membrane.
  • the sound entry opening is preferably located in the flow direction of the fluid, in particular air, in front of the microphone membrane.
  • An acoustic signal preferably designates an electrical signal that is produced by sound.
  • Sound is preferably a mechanical deformation in a medium that progresses as a wave.
  • sound In a fluid, sound is always a longitudinal wave, especially in air.
  • the terms “sound” and “sound wave” can therefore be used synonymously.
  • gases such as air
  • sound can be described as a sound pressure wave superimposed on the static air pressure.
  • the fluctuations in the state variables pressure and density are usually small in relation to their rest variables. If air is discussed below as the fluid of the sound waves, the person skilled in the art knows that the explanations can also be transferred to other fluids.
  • a cantilever or synonymously a bending beam, is preferably a spatially extended, in particular elongate, element which is mounted so as to be able to oscillate along at least one side and is otherwise preferably free-standing.
  • the oscillatable side of the cantilever can also be referred to as the free end.
  • a cantilever can e.g. B. have the shape of a flat, elongated cuboid, the thickness of which is significantly smaller compared to the transverse and / or longitudinal extent, with the transverse extent preferably being smaller than the longitudinal extent.
  • the cantilever has a thickness of 0.1 ⁇ m to 10 ⁇ m, preferably 0.5 ⁇ m to 5 ⁇ m, a length of 10 ⁇ m to 1000 ⁇ m, preferably 20 ⁇ m to 500 ⁇ m and a width of 5 pm to 100 pm, preferably 10 pm to 50 pm.
  • the thickness of the cantilever is relevant, since greater thickness is associated with a reduced ability to bend. It is therefore preferred that the thickness is a multiple, ie a factor of 2, 3, 5, 10 or more, than the length and/or width.
  • the width is also smaller than the length.
  • a bending beam that is mounted so that it can swing on both sides or on more than one side can also be preferred.
  • the cantilever can be in different designs, which are preferably relevant for the selection of the actuator.
  • the cantilever can preferably be a unimorph or monomorph cantilever, which preferably comprises an active layer and an inactive or passive layer.
  • an active layer preferably designates a piezoelectric layer in which a force or a deformation is triggered by an applied electrical field, in particular by applying an electrical control voltage (which can be generated by the electronic circuit).
  • This force or deformation preferably produces a bending and/or a deformation of the beam, which can preferably trigger an active oscillation by means of a periodic electrical control signal.
  • the inactive layer preferably comprises a non-piezoelectric material.
  • the active layer and the inactive layer interact in such a way that a resultant force is generated due to the control voltage applied, which causes a deflection of the beam, which preferably causes an oscillation given a periodicity of the electrical control signal.
  • the inactive layer also comprises a piezoelectric material, which, however, is not electrically contacted and/or controlled by a control signal, to which advantageously no electrical control signal is applied and which, in particular, does not experience an external electric field that creates an internal Triggers force and/or deformation due to the indirect piezoelectric effect of the inactive layer.
  • the cantilever can preferably be a bimorph cantilever, which preferably comprises at least two active layers.
  • an inactive layer can preferably be present between the at least two active layers. It is preferred that when an electrical voltage is applied, one active layer contracts while the second active layer expands, as a result of which bending of the cantilever is advantageously achieved, which is increased in particular compared to a unimorph cantilever, ie z. B. has a larger amplitude at the same applied voltage.
  • the cantilever preferably includes a measuring tip.
  • the measuring tip (English tip) is preferably located essentially at the free end of the cantilever.
  • the electronic circuit is set up to enable the cantilever and thus also the measuring tip to oscillate in such a way that the measuring tip vibrates without contact to the To lead microphone membrane, the distance is so small that a tunnel current flows between the microphone membrane and the measuring tip.
  • the measuring tip and the microphone membrane preferably have electrically conductive material.
  • the cantilever is made to oscillate in such a way that the measuring tip is guided to the microphone membrane in an essentially vertically oscillating manner without contact.
  • the measuring tip preferably has only a few atomic layers in its pointed end.
  • the measuring tip can have a cross section of less than 50 nm 2 , preferably less than 20 nm 2 , particularly preferably less than 10 nm 2 , at its pointed end.
  • the measuring tip can be designed as an additional component on the cantilever and connected to the cantilever.
  • the cantilever and the measuring tip are present as a common component.
  • the measuring tip is preferably characterized in terms of its geometric shape in that the side lines meet at a common point, this common point preferably being the pointed end of the measuring tip.
  • a repeated fluctuation over time in the spatial deflection of the cantilever and thus in particular also of the measuring tip from a central position is preferably referred to as oscillation.
  • the oscillation is essentially or at least partially periodic, which means above all that it is regular in terms of time.
  • the cantilever is actively stimulated by the actuator to oscillate periodically, with the measuring tip being guided to the microphone membrane in a non-contact oscillating manner to detect acoustic signals.
  • the vibration of the cantilever or the measuring tip is preferably carried out independently of the movements of the membrane, with the measuring tip being brought up to the membrane periodically in the sense of a tapping, without touching it.
  • a contactless oscillation therefore preferably means that the cantilever oscillates in such a way that the measuring tip does not touch the microphone membrane during the oscillation.
  • contact between the measuring tip and the microphone membrane is also avoided if the microphone membrane is caused to vibrate by the impact of sound waves.
  • contact between the microphone membrane and the cantilever is avoided in order to ensure that a tunnel current is obtained and preferably to avoid a resistive current.
  • Contact between the measuring tip and the microphone membrane in the constant height mode can be avoided, for example, in such a way that the amplitude of the cantilever and thus the measuring tip is adapted to the expected deflections of the microphone membrane.
  • contact between the measuring tip and the microphone membrane can be avoided by regulating their distance from one another using a closed loop control system in order to maintain a constant tunnel current.
  • Periodic oscillations in particular viewed over a number of periods, can preferably be described by the oscillation mode of the oscillation.
  • the vibration mode is preferably a form of description of certain temporally stationary properties of a vibration.
  • Different vibration modes differ in particular in the spatial distribution of the vibration intensity, with the form of the vibration modes preferably being determined by boundary conditions under which the vibration propagates.
  • These boundary conditions can B. by the material that Dimensions and / or the storage of the cantilever and preferably at least one force vector acting on the cantilever be given.
  • the ability of the cantilever to oscillate means in particular that the cantilever can be excited to mechanically oscillate over a longer period of time by a suitable drive in the form of an actuator, without structural changes (damage) occurring.
  • an oscillating cantilever it can e.g. B. give several bending vibration modes, in which the cantilever moves along a preferred direction, z. B. perpendicular to a plane of the suspension of the cantilever, which can differ in particular in the vibration frequency, the maximum vibration amplitude and its spatial occurrence. This corresponds in particular to the vibration of the measuring tip.
  • a bending vibration mode is characterized in particular in that the vibration describes a dynamic bending process in the direction essentially of a normal to a main plane of the cantilever.
  • the measuring tip which is preferably located at the free end, is periodically guided to the microphone membrane without contact by the vibration, so that a tunnel current results between the microphone membrane and the measuring tip.
  • the actuator in addition to the cantilever, the actuator is preferably also suitable for exciting such oscillations.
  • the electronic circuit is operatively connected to the actuator in such a way that the actuator fulfills the function of actively exciting the cantilever.
  • Active excitation of the cantilever preferably means active vibration excitation of the cantilever.
  • the cantilever performs forced vibration by the actuator.
  • the actuator designates a component that converts an electrical signal, preferably originating from the electronic circuit, into a mechanical movement and/or a change in a mechanical variable.
  • the actuator actively engages in causing the cantilever to oscillate.
  • the actuator must be suitable for transferring a force it generates to the cantilever, e.g. B. by being connected to the cantilever in a way that enables power transmission.
  • the cantilever can also at least partially encompass the actuator.
  • the force itself must be suitable for triggering the oscillations, which means in particular that the force is periodic and preferably essentially has the frequency of the oscillations of the cantilever to be generated and is suitable for causing the cantilever and thus also the measuring tip to oscillate, preferably in a vibrational mode.
  • the tunnel current preferably refers to an electrical current that flows between the microphone membrane and the measuring tip, although they do not touch mechanically.
  • the tunnel current means an electric current that flows despite a barrier between the microphone membrane and the measuring tip, the barrier meaning in particular a potential barrier that results from the gap caused by a non-existent contact between the microphone membrane and the measuring tip.
  • the tunnel current is preferably the measured variable that allows detection of the vibration behavior of the microphone membrane that is dependent on the sound waves. It is preferably possible with the tunnel current to advantageously measure different sound quantities of the sound waves, which stimulate the microphone membrane to vibrate. Sound variables such as sound deflection, sound pressure, sound pressure level, sound energy density, sound energy, sound flow, sound velocity, sound impedance, sound intensity, sound power, sound velocity, sound amplitude and/or sound radiation pressure can be determined by measuring the tunnel current become.
  • the tunnel current is based on the tunnel effect, which is known from quantum mechanics or quantum physics, and is therefore a quantum mechanical or quantum physical effect and cannot be explained with the laws of classical physics.
  • a potential barrier lies, i. H. Energy barrier between the measuring tip and the microphone membrane, which prohibits the transfer of charge carriers, especially electrons.
  • the potential barrier is particularly related to the work function.
  • the Schrödinger equation is a partial differential equation whose solution is the wave function, which in turn describes the state of particles, in particular their location. Even in the "forbidden" range, i.e. inside and/or beyond the potential barrier, the wave function is never equal to zero, but decays exponentially there with increasing penetration depth. Even at the end of the forbidden range, their value is not zero.
  • the tunnel effect is also referred to as a quantum physical or quantum mechanical tunnel effect.
  • an electrical voltage is preferably applied which can range from a few mV (millivolts) to a few V (volts).
  • the measuring tip is preferably located at a distance in the angstrom range ( 10′1 ° m (meter)) from the microphone membrane during the contactless oscillation to the microphone membrane. Due to the voltage applied and the small distance, a tunnel current flows between the microphone membrane and the measuring tip. The tunnel current essentially depends on the distance, the applied voltage and the work function of the materials used.
  • the measurable tunneling current is usually accompanied by low currents, which typically range from a few pA (picoamperes) to a few nA (nanoamperes) and sometimes even a few mA (milliamperes). Therefore, even small deviations in the current strength of the tunnel current can be detected particularly clearly as a measurement signal, since the tunnel current depends exponentially on the distance and the smallest changes in the distance lead to a considerable change in the tunnel current as a measurement signal.
  • the MEMS microphone is characterized in that the cantilever oscillates at a frequency of more than 20 kHz (kilohertz), preferably more than 50 kHz, particularly preferably more than 100 kHz.
  • the stated frequencies of the vibration of the cantilever are preferably many times higher than the expected vibrations of the microphone membrane, which result from the impingement of sound waves.
  • the frequency of the oscillation of the cantilever is preferably higher than possible frequencies of the microphone membrane by a factor of at least 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 50, 100, 200, 500, 1000 or more.
  • the vibration behavior of the cantilever is independent of the vibration of the microphone membrane due to the specified frequencies of its vibration.
  • the microphone membrane can oscillate in a wide frequency range and, furthermore, a reliable detection of an acoustic signal is provided by the tunnel current. Since it is preferred that the cantilever oscillates at a rate that is many times higher than that of the microphone membrane, it is possible to measure sound events permanently, reliably and with high accuracy.
  • the specified frequencies have proven to be particularly efficient in order to easily and effectively generate and measure a tunnel current between the microphone membrane and the measuring tip.
  • the MEMS microphone according to the invention can be used to precisely record a large frequency range of the microphone membrane, in particular from very low frequencies ( ⁇ 10 Hz) to high frequencies in the kHz or even MHz range.
  • the MEMS microphone is characterized in that the electronic circuit is set up to keep an amplitude and a center position of an oscillation of the measuring tip and/or the cantilever constant, with a change in an amplitude of the tunnel current between the microphone membrane and the measuring tip is measured, with the amplitude of the tunnel current depending on the vibration behavior of the microphone membrane.
  • the embodiment in the last disclosed paragraph corresponds to the so-called constant height mode.
  • the measuring tip follows a previously specified height profile without the distance between a sample to be examined and the measuring tip of the scanning tunneling microscope having to be readjusted.
  • the principle of the constant height mode can advantageously be transferred to the MEMS microphone for a detection of sound events according to the invention by a tunnel current.
  • the electronic circuit is preferably set up in such a way that the amplitude and the center position of the cantilever and/or the measuring tip do not change.
  • a center position of the cantilever and/or the measuring tip preferably designates a spatial position that serves as a reference point for the amplitude of the oscillation.
  • the amplitude of the oscillation is preferably the maximum deflection of the cantilever and/or the maximum displacement of the measuring tip around the middle position.
  • the amplitude, in particular the maximum deflection can preferably be specified by a variable with the dimension of a distance.
  • the amplitude is preferably set in such a way that, with regard to the expected deflections of the microphone membrane, contact between the microphone membrane and the measuring tip is avoided.
  • two cases are considered, namely a theoretical case in which the microphone membrane is not excited to vibrate by sound waves but is essentially stationary, and the actual case in which the microphone membrane is excited to vibrate by sound waves.
  • the changes in the signal strength of the tunnel current thus directly reflect the vibration behavior of the microphone diaphragm, which is dependent on the sound waves that hit it.
  • the measuring principle of a constant height while maintaining a constant amplitude and center position of the oscillation of the cantilever and/or the measuring tip is particularly easy to set up and allows high-frequency oscillation excitation of the cantilever in a robust way.
  • the MEMS microphone is characterized in that the electronic circuit is set up such that an amplitude of the tunnel current between the microphone membrane and the measuring tip is kept constant, with an oscillation of the cantilever and/or the measuring tip being regulated in order to to keep constant a distance between the microphone membrane and a center position of the measuring tip.
  • the embodiment in the last disclosed paragraph corresponds to the so-called constant current mode.
  • the height of the measuring tip is continuously changed to such an extent that the tunnel current remains constant.
  • this is done via a closed control circuit for controlling the distance between the measuring tip and the sample to be examined.
  • the principle of the mode of a constant tunneling current from scanning tunneling microscopy can advantageously be transferred to a detection of sound events by a tunneling current according to the invention. It is preferred that the electronic circuit is set up to keep the amplitude of the tunnel current between the microphone membrane and the measuring tip constant. For this purpose, the vibration of the cantilever and/or the measuring tip is regulated in such a way that the distance between a microphone membrane and a middle position of the measuring tip remains constant.
  • the middle position of the measuring tip designates in particular the reference point for the amplitude of the oscillation of the measuring tip.
  • the center position of the cantilever does not have to be identical to the center position of the measuring tip.
  • the measuring tip is preferably located essentially at the free end of the cantilever and also has a certain spatial extent.
  • the middle position of the measuring tip means that position with which the amplitude of the oscillation of the measuring tip can be described. Because the cantilever grips the probe tip and oscillates, the probe tip vibrates in the same pattern as the cantilever, i. H. the course of the oscillation is essentially the same.
  • the amplitude of the tunneling current remains constant by keeping the distance between the center position of the measuring tip and the microphone membrane constant. This is preferably done by means of a closed control loop.
  • the tunnel current is preferably adjusted to a predetermined amplitude by the closed control circuit in the event of an oscillation, in particular a deflection, of the microphone diaphragm. This is preferably done by adjusting the distance between the center position of the measuring tip and the deflection of the microphone membrane.
  • the closed-loop control circuit is a circuit that can be configured, for example, by the electronic circuitry of the MEMS microphone. The closed control loop performs the tasks of measuring, comparing and adjusting.
  • the tunnel current is thus measured by the closed control circuit, the amplitude of the measured tunnel current is compared with a specified value and adjusted accordingly if there is a deviation.
  • the amplitude of the tunnel current is preferably adjusted by adjusting the center position of the measuring tip.
  • the cantilever (including the measuring tip) performs a translational movement in order to adjust the distance between the measuring tip and the microphone membrane.
  • Such a translational movement of the cantilever is preferably effected by a further actuator.
  • the additional actuator for performing the translational movement of the cantilever can be a MEMS-based drive.
  • a MEMS drive can be a micro-actuator that is connected to the cantilever by coupling elements.
  • the microphone membrane If sound waves hit the microphone membrane through the sound inlet opening, it is caused to vibrate.
  • the vibrations of the microphone membrane initially change the distance between the microphone membrane and the middle position of the measuring tip. This also affects the tunnel current, in particular the amplitude of the tunnel current deviates from a predetermined value.
  • a change in the amplitude of the tunnel current is detected by the closed control circuit.
  • a comparison can be made between the specified and the measured tunnel current through the closed control loop, for example by forming a difference and/or a ratio.
  • the distance between the center position of the measuring tip is adjusted in such a way that the specified amplitude of the tunnel current is reached again.
  • the lower the sound pressure level of the incident sound wave the weaker the deflection of the microphone membrane.
  • the weaker the microphone membrane is deflected the less the distance between the center position of the measuring tip and the microphone membrane changes, which must be regulated using the measured tunnel current.
  • Controlling the distance based on the controlled variable of the tunnel current, which is to be kept constant, advantageously allows sound signals to be measured with particularly high sensitivity and accuracy.
  • a closed control circuit also allows very precise tracking of the vibration behavior of the microphone membrane, which not only allows conclusions to be drawn about the frequency and sound pressure level of the sound signals, but also the entire course over time.
  • the MEMS microphone is characterized in that the electronic circuit is set up to apply a bias voltage to the microphone membrane, so that a zero point position and/or the ability to oscillate the microphone membrane can be regulated.
  • the sensitivity of the microphone membrane can be regulated and/or adjusted by applying a bias voltage to the microphone membrane.
  • a bias voltage within the meaning of the invention refers to an electrical voltage that is applied so that the microphone membrane achieves a curvature that protrudes beyond a zero point position of the microphone membrane.
  • the zero point position of the microphone membrane preferably denotes the force-free resting position of the Microphone membrane when there is no deflection by sound waves and no bias is applied.
  • the bias voltage can be regulated by the electronic circuit.
  • the application of a bias allows the sensitivity of the microphone membrane to be regulated. If a bias voltage is applied, this affects the vibrating ability of the microphone membrane. The higher the bias voltage applied, the lower the ability of the microphone membrane to oscillate. The lower the applied bias voltage, the higher the ability of the microphone diaphragm to vibrate. In this way, the sensitivity of the microphone membrane in particular can advantageously be precisely adjusted.
  • the sensitivity of the microphone diaphragm preferably designates the ability to experience a deflection, with the deflection being dependent on the sound pressure levels of the sound waves entering through the sound entry opening.
  • Regulating the ability of the microphone membrane to oscillate is advantageous in that, particularly with regard to the small distances when a tunnel current occurs, an optimal adjustment of the MEMS microphone to different sound pressure levels can be ensured.
  • the MEMS microphone according to the invention thus has high dynamics and is advantageously suitable for a wide range of sound signals to be measured.
  • the MEMS microphone is characterized in that the MEMS microphone has a sensitivity which allows sound pressure waves with a sound pressure level of less than 20 dB, particularly preferably less than 10 dB, less than 5 dB, less than 1 dB or less than 0 dB to measure.
  • the MEMS microphone according to the invention can measure low sound pressure levels, as just indicated, with extreme precision.
  • the sound pressure level (English sound pressure level, abbreviated to SPL) is the decadic logarithm of the squared relationship between the effective value of the measured sound pressure and its reference value of 20 pPa (micropascals) commonly used in acoustics. In this way, sound pressure levels with a high signal-to-noise ratio can advantageously be measured.
  • the lateral resolution preferably designates a resolution perpendicular to the course of a measurement path by means of sound waves.
  • the opposite of the lateral resolution is the axial resolution along the length of the measurement path, i.e. the path of the sound.
  • the lateral resolution is the distance between two adjacent objects, e.g. B. two sound sources that can be mapped as two points. This advantageously makes it possible to create a very precise image of a sound field, despite the low sound pressure level.
  • low sound pressure levels are particularly relevant in the context of photoacoustic spectroscopy, so that the MEMS microphone according to the invention is preferably used photoacoustic measurements can be used efficiently.
  • Other advantageous uses of the MEMS microphone according to the invention are also possible.
  • Low sound pressure levels can also be caused by machines such as B. lighting fittings arise.
  • the MEMS microphone according to the invention is therefore advantageously suitable for monitoring devices in which low sound pressure levels are relevant.
  • the MEMS microphone can be used optimally and efficiently in a large number of possible applications.
  • the MEMS microphone is characterized in that the electronic circuit is set up so that the actuator regulates the oscillation of the cantilever in such a way that there is a distance of between 0.1 nm and 100 nm is present. Intermediate values such as maximum distances between 1 nm and 50 nm or 0.5 nm and 10 nm can also be preferred.
  • the distance between the measuring tip and the microphone membrane is regulated in particular by the center position of the vibration of the cantilever and/or the amplitude of the vibration excitation.
  • the specified distance range has proven to be particularly advantageous, on the one hand to be able to measure the vibration behavior of the membrane with high resolution using the tunnel current and on the other hand to effectively avoid contact between the measuring tip and the membrane.
  • the MEMS microphone according to the invention is therefore distinguished by a long-term stable measurement capability.
  • the MEMS microphone is characterized in that the actuator excites the cantilever comprising the measuring tip to oscillate, with the actuator preferably being selected from a group comprising a piezoelectric actuator, an electrostatic actuator, an electromagnetic actuator, a magnetostrictive actuator and/or a thermal actuator.
  • the actuators mentioned above are particularly well suited for exciting a large number of rapid oscillations and have a low energy requirement, in particular due to the compact design.
  • the bandwidth of the achievable vibrations is also advantageously high due to the compact design and the low inertia.
  • the actuator is a MEMS actuator.
  • a MEMS actuator is preferably an actuator that is produced using standard production methods of microsystems technology and also has dimensions in the order of pm (micrometers). Such an actuator is particularly compact, robust and low-maintenance and can be produced easily and inexpensively.
  • the cantilever which is excited to oscillate by the actuator, can also be a MEMS element.
  • the cantilever and the actuator can preferably be produced in one production step with the MEMS actuator and are compact. Desirably, parts of the same substrate can be used for production. This simplifies and makes production considerably cheaper.
  • a piezoelectric actuator preferably refers to an actuator that uses the piezoelectric effect.
  • a piezoelectric actuator can stimulate the cantilever to oscillate using the inverse piezoelectric effect.
  • the piezoelectric effect includes the direct piezoelectric effect, which describes the occurrence of an electrical voltage when certain solid bodies, in particular piezoelectric crystals, are deformed, and the inverse piezoelectric effect, in which a deformation is brought about by applying an electrical voltage.
  • a piezoelectric actuator preferably comprises a piezoelectric crystal, which deforms when an electrical voltage is applied. Depending on the piezo crystal and the cut, it becomes longer, wider and/or bends.
  • An electrostatic actuator preferably uses electrostatic fields to move components, particularly the cantilever.
  • the cantilever preferably has a material that reacts to the electrostatic fields used.
  • An electromagnetic actuator converts electrical energy into mechanical energy. The effects of electromagnetism are preferably used here.
  • a heat source is preferably used in order in particular to generate movements of the cantilever.
  • Magnetostrictive actuators are preferably based on the change in length of ferromagnetic materials. Magnetostrictive actuators are preferably made by sintering techniques and change length under magnetic fields. These actuators can also be used advantageously under high pressures and temperatures as control elements with high positioning accuracy in the micrometer range.
  • the MEMS microphone is characterized in that the oscillatable microphone membrane comprises an electrically conductive material, the electrically conductive material preferably being selected from a group comprising monosilicon, polysilicon, molybdenum, tantalum, aluminum, graphite, tungsten, titanium , platinum, gold, palladium, iron, copper, silver, brass, chromium, their compounds and/or alloys, with the oscillatable microphone membrane optionally comprising an additional non-electrically conductive material, which is preferably selected from a group consisting of silicon nitride and/or silicon dioxide .
  • the microphone membrane can advantageously be manufactured flexibly.
  • the MEMS microphone comprising the oscillatable microphone membrane together with a carrier in a (semiconductor) process, preferably on a substrate. This further simplifies and reduces the cost of manufacture, so that a compact and robust MEMS microphone can be provided at low cost.
  • the materials listed are advantageous in that they are characterized by particularly inert behavior. Because they are inert, they do not react with the environment in which the MEMS microphone according to the invention is to be installed, so that a particularly robust and insensitive MEMS microphone can advantageously be provided. Electrically conductive material is preferably used in this case, in order in particular to ensure that the tunnel current is maintained.
  • Dielectric materials preferably mean electrically non-conductive materials.
  • dielectric materials are preferably introduced into the microphone membrane in such a way that they are embedded within the microphone membrane.
  • the preferably used semiconducting and/or dielectric materials in the microphone membrane result in the microphone membrane being supported advantageously mechanically. The sensitivity and thus the ability to oscillate the microphone membrane can also be advantageously adjusted in this way.
  • the MEMS microphone is characterized in that the cantilever and/or the measuring tip comprises a material selected from a group comprising silicon, iridium, tungsten, platinum, palladium and/or gold.
  • These materials advantageously have the desired electrical, mechanical and/or thermal properties in order to allow a tunnel current to flow particularly efficiently between the microphone membrane and the measuring tip. Furthermore, the materials can be processed very easily and inexpensively in order to provide the cantilever and/or the measuring tip.
  • the tunnel current is particularly relevant with regard to the provision of the measuring tip in terms of dimensioning.
  • the probe tip can be designed in such a way that one atom is the foremost tip of the probe tip and/or is responsible for most of the tunneling current.
  • the MEMS microphone is characterized in that the measuring tip has a radius of up to 15 nm, preferably up to 10 nm, particularly preferably up to 5 nm.
  • the MEMS microphone is characterized in that the cantilever has a length of up to 1000 ⁇ m, a width of up to 100 ⁇ m and a thickness of up to 10 ⁇ m.
  • the listed dimensions of the cantilever and/or the measuring tip have proven to be advantageous in that on the one hand they enable a tunnel current between the microphone membrane and the measuring tip in a particularly reliable manner and on the other hand they are designed to be particularly optimally capable of oscillating, so that the guidance to the microphone membrane can be carried out particularly efficiently, for example through the actuator.
  • the invention relates to a method for detecting acoustic signals, comprising a MEMS microphone comprising a sound entry opening, an oscillatable one Microphone membrane and an electronic circuit, with sound waves entering through the sound entry opening exciting the oscillatable microphone membrane to oscillate, characterized in that the MEMS microphone has a cantilever comprising a measuring tip and an actuator, the cantilever and/or the measuring tip being actively closed by the actuator Oscillations are stimulated and guided to the microphone membrane in a non-contact oscillating manner, so that a tunnel current is measured between the measuring tip and the microphone membrane and the tunnel current allows detection of the vibration behavior of the microphone membrane, which is dependent on the sound waves.
  • the method for detecting acoustic signals comprising the MEMS microphone according to the invention advantageously allows high-resolution measurement of low sound pressure levels.
  • Sound pressure levels can thus be measured which are in particular less than 20 dB (decibels), preferably less than 10 dB, particularly preferably less than 5 dB, very particularly preferably less than 1 dB. It is particularly advantageous that the low sound pressure levels can be measured with a particularly high signal-to-noise ratio.
  • the signal-to-noise ratio describes the ratio of the actual signal component to the noise component. By specifying in dB, the signal-to-noise ratio can be better quantified. Noise is any interference that can affect the signals. The reception quality of the recorded signals can thus be evaluated using the signal-to-noise ratio. The greater the signal-to-noise ratio, the smaller the noise component compared to the useful or measurement signal and the easier it can be filtered out. Especially in the context of measuring low sound pressure levels, the signal-to-noise ratio was not high in the prior art, since the influence of noise is weighted higher. It is therefore to be rated as particularly advantageous that the MEMS microphone according to the invention can also measure at low sound pressure levels with a comparatively high signal-to-noise ratio.
  • the measurement can advantageously be carried out without flow losses of the fluid in which the sound propagates, so that a particularly precise image of the sound field is made possible.
  • the invention relates to the use of the MEMS microphone according to the invention or preferred embodiments thereof for photoacoustic spectroscopy.
  • the invention relates to a photoacoustic gas sensor comprising a modulatable emitter, an analysis volume that can be filled with gas and a MEMS microphone according to the invention or a preferred embodiment thereof, wherein the modulatable emitter and the MEMS microphone are arranged in such a way that the emitter can excite gas in the analysis volume to form sound pressure waves by means of modulatably emitable radiation, which with the aid of the MEMS sensor can be detected.
  • a photoacoustic gas sensor is known to a person skilled in the art in terms of its basic features and essential components.
  • a modulatable emitter generates electromagnetic radiation and is preferably arranged and configured in such a way that the radiation emitted by the infrared emitter essentially or at least partially impinges on the gas in the analysis volume.
  • the modulated irradiation occurs with a wavelength which corresponds to the absorption spectrum of a molecule of a gas component present in the gas mixture, modulated absorption takes place, which leads to heating and cooling processes whose time scales reflect the modulation frequency of the radiation. According to the photoacoustic effect, the heating and cooling processes lead to expansion and contraction of the gas component, which stimulates the formation of sound pressure waves with essentially the modulation frequency.
  • the sound pressure waves are also referred to as PAS signals and can be measured particularly sensitively using the MEMS microphone as described.
  • the power of the sound waves is preferably directly proportional to the concentration of the absorbing gas component. Due to the possibility of measuring extremely low sound level pressures using the MEMS microphone according to the invention, even the smallest proportions of gas components can advantageously be detected.
  • narrow-band laser sources can be used. These advantageously allow the use of high radiation intensities and can preferably be modulated at high frequency using standard components for photoacoustic spectroscopy.
  • Broadband emitters can also preferably be used. These advantageously have a wide range, which z. B. can be further selected by using (tunable) filters.
  • the emitter that can be modulated is preferably a modulatable infrared emitter.
  • the modulatable emitter can be a thermal emitter comprising a heating element, the heating element comprising a substrate on which a heatable layer made of a conductive material is at least partially applied, on which contacts for a current and/or voltage source are present.
  • the heating element includes a Heatable layer made of a conductive material that produces Joule heat when an electric current flows through it.
  • the heating element comprises a substrate on which the heatable layer is present.
  • the substrate preferably forms the base of the heating element.
  • the substrate can also at least partially include other elements of the IR emitter, such as for example a base element and/or housing elements.
  • the emitter can be modulated, which means that the intensity of the emitted radiation, preferably the intensity of the beam, can be changed in a controllable manner over time.
  • the modulation should preferably bring about a change in the intensity over time as a measurable variable. That means e.g. B. that the intensity over time between the weakest intensity measured within the measurement period and the strongest intensity measured within the same period of time there is a difference that is greater than the sensitivity of a device typically used for the radiation spectrum and the application for measuring or determining the Intensity.
  • the difference is preferably significantly greater than a factor of 2, more preferably 4, 6 or 8 between the strongest and the weakest adjustable intensity.
  • the intensity of the modulated beam is modulated for one or more predetermined resonance wavelengths.
  • Direct modulation can preferably be carried out by varying the power supply.
  • a modulation is usually limited to a certain range of a modulation spectrum, e.g.
  • B. a laser or an LED are preferably significantly higher modulation rates, z. B. in the kHz range and beyond, possible.
  • the emitter can preferably also be modulated by external modulation, e.g. B. through the use of a rotating chopper wheel and / or an electro-optical modulator.
  • the gas to be analyzed is preferably located in an analysis volume that can be filled with gas.
  • this is a volume (or chamber) that is at least partially closed or lockable to the outside, in which the gas is located or can be introduced, e.g. B. through a closable opening in the form of a closure and / or valve and / or through a supply line.
  • it can also be a completely closed or lockable volume or chamber, which has at least one, preferably two, lockable openings for introducing and/or discharging the gas to be analyzed.
  • the gas to be analyzed can thus be localized very well, in particular in a beam area of the emitter, for example infrared radiation.
  • the analysis volume can preferably also be at least partially open.
  • a gas atmosphere surrounding the spectroscope, to which the analysis volume is at least partially open can be measured and checked for its composition.
  • This is particularly interesting for applications in the field of pollutant measurement, but also z. B. for military applications or counter-terrorism, z. B. by a poison gas attack.
  • the analysis volume is well defined, so that the emitter, the analysis volume and the MEMS microphone are arranged in such a way that the radiation that can be emitted by the emitter in a modulable manner can excite gas in the analysis volume to form sound pressure waves, which can be detected with the help of the MEMS microphones are measurable.
  • the analysis volume is preferably in the beam path of the emitter. This preferably means that the intensity of the beam essentially or at least partially impinges on the side of the analysis volume facing the emitter. Partially means preferably at least 40%, preferably at least 50%, 60%, 70%, 80% or more.
  • An analysis volume can be formed by a chamber.
  • the analysis volume comprises a sample chamber and a reference chamber, which are connected or can be connected by a connecting channel.
  • an analysis volume which has a sample chamber and a reference chamber
  • sources of interference e.g. B. external sound pressure waves
  • the emitter irradiates the sample chamber and not the reference chamber and that there is a connecting channel between the sample chamber and the reference chamber, in which the MEMS microphone is located as a sound detector.
  • the same gas can be found in the sample volume and reference volume. It can also be preferred that different gas is contained in the sample volume and in the reference volume, a gas with known properties being present in the reference volume and a gas to be analyzed being present in the sample volume. This embodiment is distinguished by a particularly precise photoacoustic spectroscopy, since, for example, sound from undesired sound sources is eliminated or not included in the measurement and/or the evaluation of the measurement. Sample volumes and a reference volume can preferably have essentially the same dimensions in order to implement an accurate differential measurement method.
  • the MEMS microphone according to the invention is to be explained in more detail below using examples, without being restricted to these examples.
  • FIG. 1 Schematic representation of a preferred MEMS microphone
  • the MEMS microphone 1 shows a schematic representation of a preferred MEMS microphone 1.
  • the MEMS microphone 1 is particularly well suited to measuring low sound pressure levels with high resolution.
  • the MEMS microphone 1 includes an oscillatable microphone membrane 3. If a sound event occurs, sound waves 5 propagate from a sound source in the direction of the MEMS microphone 1 through a sound inlet opening and hit the microphone membrane 3, which is then excited to oscillate.
  • the MEMS microphone 1 has a cantilever 7 including a measuring tip 9 .
  • Other components such as an electronic circuit and an actuator are not shown in FIG.
  • the electronic circuit is set up in such a way that the cantilever 7 including the measuring tip 9 is actively excited to oscillate, it being possible for the transmission to be carried out by the actuator to oscillate.
  • the oscillation of the cantilever 7 and thus of the measuring tip 9 is intended to be illustrated by the dashed line and the curved arrow below the measuring tip 9.
  • the measuring tip 9 and the microphone membrane 3 comprise electrically conductive material.
  • the measuring tip 9 is brought so close to the microphone membrane 3 that it oscillates without making contact, so that a tunnel current (not shown) flows based on the quantum-mechanical tunnel effect.
  • the tunnel current reflects the vibration of the measuring tip 9 as a periodic signal, since the distance between the measuring tip 9 and the microphone membrane changes periodically.
  • the measurable tunnel current allows detection of the vibration behavior of the microphone membrane 3, which is caused by the sound waves 5, in particular of sizes such. B. the sound pressure level and / or the frequency depends.
  • the MEMS microphone 1 can advantageously be used to measure low sound pressure levels with a simultaneously high signal-to-noise ratio, since the tunnel current can measure the smallest deflections of the microphone membrane 3 particularly precisely due to the exponential dependence on the distance.
  • the MEMS microphone 1 is also advantageous in that contact between the measuring tip 9 and the microphone membrane 3 is avoided in a particularly reliable manner. Furthermore, there are advantageously no flow losses of the sound, so that a particularly precise sound image can be generated. The MEMS microphone 1 can thus measure sound pressure levels with high precision and reliability and can precisely determine even the slightest deviations.
  • the cantilever 7 and thus also the measuring tip 9 perform vibrations that are significantly faster than the expected vibrations of the oscillatable microphone membrane 3, so that advantageously the vibration of the cantilever 7 and/or the measuring tip 9 is independent of the vibration of the microphone membrane 3. Therefore, the microphone membrane 3 can oscillate in a wide frequency range while at the same time providing a reliable and particularly sensitive possibility of detecting sound waves through the tunnel current.
  • the MEMS microphone 1 can have different operating modes.
  • the electronic circuit can be set up to keep an amplitude and a center position of an oscillation of the measuring tip 9 and/or of the cantilever 7 constant.
  • a change in the amplitude of the tunnel current is measured, which provides information about the vibration behavior of the microphone membrane 3 and about sound parameters such as the sound pressure level of sound waves 5 incident.
  • the electronic circuit can be configured in such a way that an amplitude of the tunnel current between the microphone membrane 3 and the measuring tip 9 is kept constant. This is achieved in that an oscillation of the cantilever 7 and thus of the measuring tip 9 is regulated in such a way that a distance between the microphone membrane 3 and a central position of the measuring tip 9 is kept constant. This is done in particular by a closed
  • Control loop which can be given for example by the electronic circuit.
  • the necessary adjustment of the distance between the microphone membrane 3 and a central position of the measuring tip 9 allows direct conclusions to be drawn about the vibration behavior of the membrane and therefore the sound waves 5 that are impinging.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

In a first aspect, the invention relates to a MEMS microphone for detecting acoustic signals. The MEMS microphone has a vibratable microphone diaphragm which is excited to vibrate by sound waves which pass through a sound entry opening. The MEMS microphone also has a cantilever comprising a measurement tip. The cantilever is actively excited to vibrate by an actuator, with the result that the measurement tip is guided in a vibrating manner to the microphone diaphragm without contact. In this case, a tunnel current flows between the microphone diaphragm and the measurement tip and can be used to detect the vibration behaviour of the microphone diaphragm that depends on the sound waves. An electronic circuit is configured to measure the tunnel current between the microphone diaphragm and the measurement tip. The MEMS microphone according to the invention makes it possible to detect particularly low sound pressure levels with high resolution. In a further aspect, the invention relates to a method for detecting acoustic signals using the MEMS microphone according to the invention.

Description

MEMS-TAPPING-MODE-CANTILEVER ALS AKUSTISCHER NANOKRAFTSENSOR MEMS TAPPING MODE CANTILEVER AS ACOUSTIC NANO FORCE SENSOR

BESCHREIBUNG DESCRIPTION

Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der MEMS-Mikrofone. In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein MEMS-Mikrofon zur Detektion akustischer Signale. Das MEMS-Mikrofon weist eine schwingfähige Mikrofonmembran auf, die durch Schallwellen, die durch eine Schalleintrittsöffnung treten, zu Schwingungen angeregt wird. Weiterhin weist das MEMS- Mikrofon einen Cantilever umfassend eine Messspitze auf. Durch einen Aktuator wird der Cantilever aktiv zu Schwingungen angeregt, sodass die Messspitze kontaktlos schwingend an die Mikrofonmembran geführt wird. Dabei fließt zwischen der Mikrofonmembran und der Messspitze ein Tunnelstrom, mit dem das Schwingungsverhalten der Mikrofonmembran, das von den Schallwellen abhängt, detektiert werden kann. Eine elektronische Schaltung ist dazu eingerichtet, den Tunnelstrom zwischen der Mikrofonmembran und der Messspitze zu messen. Mittels des erfindungsgemäßen MEMS-Mikrofons wird es ermöglicht, besonders niedrige Schalldruckpegel hochaufgelöst zu detektieren. The invention relates to the technical field of MEMS microphones. In a first aspect, the invention relates to a MEMS microphone for detecting acoustic signals. The MEMS microphone has an oscillatable microphone membrane that is excited to vibrate by sound waves that pass through a sound inlet opening. Furthermore, the MEMS microphone has a cantilever including a measuring tip. The cantilever is actively excited to oscillate by an actuator, so that the measuring tip is guided to the microphone membrane in a non-contact oscillating manner. A tunnel current flows between the microphone membrane and the measuring tip, with which the vibration behavior of the microphone membrane, which depends on the sound waves, can be detected. An electronic circuit is set up to measure the tunneling current between the microphone membrane and the measuring tip. The MEMS microphone according to the invention makes it possible to detect particularly low sound pressure levels with high resolution.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung Verfahren zur Detektion akustischer Signale mittels des erfindungsgemäßen MEMS-Mikrofons. In a further aspect, the invention relates to methods for detecting acoustic signals using the MEMS microphone according to the invention.

Hintergrund und Stand der Technik Background and prior art

Mikrofone sind elektroakustische Wandler, die ein Schallereignis, d. h. auftretende Schallwellen, in ein elektrisches Signal umwandeln. Das elektrische Signal entspricht dem akustischen Eingangssignal. Im Stand der Technik gibt es eine Vielzahl von Bau- und Funktionsweisen unterschiedlicher Mikrofonarten, die jeweils unterschiedliche Anwendungszwecke und Funktionen erfüllen. Microphones are electro-acoustic transducers that convert a sound event, i. H. convert sound waves into an electrical signal. The electrical signal corresponds to the acoustic input signal. In the state of the art, there is a large number of designs and functionalities of different types of microphones, each of which fulfills different application purposes and functions.

Insbesondere sind im Stand der Technik äußerst kompakte Mikrofone bekannt, die auf der MEMS-Technologie beruhen, sogenannte MEMS-Mikrofone. MEMS ist die Abkürzung für mikroelektromechanisches System (englisch microelectromechanical system) und zeichnet sich durch eine miniaturisierte und kompakte Bauweise aus, die insbesondere im Mikrometerbereich vorliegt und eine hervorragende Funktionalität mit immer geringeren Herstellungskosten aufweist.In particular, extremely compact microphones based on MEMS technology, so-called MEMS microphones, are known in the prior art. MEMS is the abbreviation for microelectromechanical system (microelectromechanical system) and is characterized by a miniaturized and compact design, which is particularly present in the micrometer range and has excellent functionality with ever lower manufacturing costs.

Meist umfasst ein MEMS-Mikrofon eine schwingfähige Mikrofonmembran, die zur Aufnahme von Druckwellen eines Fluids eingerichtet ist. Bei dem Fluid kann es sich sowohl um ein gasförmiges als auch um ein flüssiges Fluid handeln, bevorzugt handelt es sich um Schalldruckwellen. Ein MEMS-Mikrofon wandelt bevorzugt Druckwellen in elektrische Signale um und stellt somit einen Schalldetektor dar. A MEMS microphone usually includes an oscillatable microphone membrane that is set up to record pressure waves of a fluid. The fluid can be either a gaseous or a liquid fluid, preferably sound pressure waves. A MEMS microphone preferably converts pressure waves into electrical signals and thus represents a sound detector.

MEMS-Mikrofone weisen eine Vielzahl von Vorteilen auf. Beispielsweise lassen sie sich durch ihre kompakte Ausgestaltung besonders einfach zu Arrays anordnen, was sich für Schallmessungen mit einer Richtcharakteristik nutzen lässt. Darüber hinaus können sie über verbreitete, weitreichend automatisierte Prozesse der Halbleitertechnik hergestellt werden. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, MEMS-Mikrofone mit anderen Messsensoren zu kombinieren, um mehrere Messsignale zu messen und hierdurch vielfältigere Messbereiche bzw. Anwendungszwecke abdecken zu können. So wird beispielsweise in der US 2015/0158722 A1 eine MEMS-Vorrichtung offenbart, welche ein MEMS-Mikrofon und einen weiteren MEMS-Sensor in Form eines Bewegungssensors aufweist. In einer darin beschriebenen Ausführungsform liegt die Membran des MEMS-Mikrofons vor einer perforierten Rückplatte vor. Das MEMS-Mikrofon befindet sich auf einem Substrat, an dem die Öffnung für den Eintritt von Schallwellen angebracht ist. Ferner liegt auf dem Substrat ein weiterer Sensor vor, wobei es sich z. B. um ein Gyroskop, einen Beschleunigungssensor oder einen Drucksensor handeln kann. Zusätzlich zur Messung von Größen durch das MEMS-Mikrofon und den weiteren Sensoren können auch weitere Informationen gemessen und/oder verarbeitet werden, wie beispielsweise Ultraschallwellen, Infrarotlicht, Temperatur, Feuchtigkeit und/oder eine Gasspezies der Umgebung der MEMS- Vorrichtung. MEMS microphones have a number of advantages. For example, due to their compact design, they can be arranged in arrays in a particularly simple manner, which can be used for sound measurements with a directional characteristic. In addition, they can be manufactured using common, largely automated processes in semiconductor technology. It is known from the prior art to combine MEMS microphones with other measurement sensors in order to measure a number of measurement signals and thereby be able to cover more diverse measurement ranges and applications. For example, US 2015/0158722 A1 discloses a MEMS device which has a MEMS microphone and a further MEMS sensor in the form of a motion sensor. In an embodiment described therein, the membrane of the MEMS microphone is in front of a perforated backplate. The MEMS microphone sits on a substrate that has an opening for sound waves to enter. Furthermore, there is another sensor on the substrate, which is z. B. can be a gyroscope, an acceleration sensor or a pressure sensor. In addition to the measurement of quantities by the MEMS microphone and the other sensors, other information can also be measured and/or processed, such as ultrasonic waves, infrared light, temperature, humidity and/or a gas species in the environment of the MEMS device.

Die Mehrheit der MEMS-Mikrofone ist jedoch für Audioanwendungen konzipiert, d. h. für Telefone und/oder Hörgeräte. Diese Anwendungen sind zumeist durch eine Bandbreite von weniger als 20 kHz und einen Schalldruckpegel von weniger als ca. 120 dB gekennzeichnet. However, the majority of MEMS microphones are designed for audio applications; H. for phones and/or hearing aids. These applications are mostly characterized by a bandwidth of less than 20 kHz and a sound pressure level of less than approx. 120 dB.

Im Stand der Technik gibt es jedoch auch das Bestreben, besonders geringe Schalldruckpegel zu messen, insbesondere mit Methoden der Mikrosystemtechnik. Dies ist beispielsweise relevant bei der photoakustischen Spektroskopie. Bei der photoakustischen Spektroskopie wird intensitätsmodulierte Strahlung mit Frequenzen im Absorptionsspektrum eines in einem Gas zu detektierenden Moleküls eingesetzt. Ist dieses Molekül im Strahlengang vorhanden, findet eine modulierte Absorption statt, die zu Erwärmungs- und Abkühlungsprozessen führt, deren Zeitskalen die Modulationsfrequenz der Strahlung widerspiegeln. Die Erwärmungs- und Abkühlungsprozesse führen zu Expansionen und Kontraktionen des Gases, wodurch Schallwellen mit der Modulationsfrequenz verursacht werden. Diese können sich messen lassen, beispielsweise durch Schalldetektoren wie MEMS-Mikrofone. Die dabei auftretenden Schalldrücke sind sehr gering. In the prior art, however, there is also an attempt to measure particularly low sound pressure levels, in particular using methods from microsystems technology. This is relevant, for example, in photoacoustic spectroscopy. In photoacoustic spectroscopy, intensity-modulated radiation with frequencies in the absorption spectrum of a molecule to be detected in a gas is used. If this molecule is present in the beam path, modulated absorption takes place, leading to heating and cooling processes whose time scales reflect the modulation frequency of the radiation. The heating and cooling processes cause the gas to expand and contract, causing sound waves at the modulation frequency. These can be measured, for example by sound detectors such as MEMS microphones. The sound pressures that occur are very low.

Photoakustische Gassensoren als solche sind im Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Eine Variante eines photoakustischen Gassensors wird in der US 2011/0296900 A1 offenbart. Dabei werden alle Komponenten zur Betriebstauglichkeit in einer oder als MEMS-Vorrichtung verbaut. Der photoakustische Gassensor weist eine Infrarotquelle auf, die auf einem Substrat angebracht ist. Ein integriertes Mikrofon kann sich auf dem Substrat selbst oder auf einem zweiten Substrat befinden. Ein Filter für das Infrarotlicht liegt auf einem dritten Substrat vor.Photoacoustic gas sensors as such are already well known in the prior art. A variant of a photoacoustic gas sensor is disclosed in US 2011/0296900 A1. All components for operational suitability are installed in one or as a MEMS device. The photoacoustic gas sensor has an infrared source mounted on a substrate. An integrated microphone can be on the substrate itself or on a second substrate. A filter for the infrared light is present on a third substrate.

Im Stand der Technik sind ebenfalls Ansätze bekannt, niedrige Schalldruckpegel zu messen, insbesondere für Zwecke der photoakustischen Spektroskopie. Gerade in der photoakustischen Spektroskopie ist nämlich die Messung von geringen Schalldruckpegeln relevant, um die Aufnahme von zuverlässigen Messergebnissen ermöglichen zu können. Approaches are also known in the prior art for measuring low sound pressure levels, in particular for the purposes of photoacoustic spectroscopy. In photoacoustic spectroscopy in particular, the measurement of low sound pressure levels is relevant in order to be able to record reliable measurement results.

In Sievilä et al. (2013) wird ein Herstellungsverfahren eines Cantilevers und eine Sensoranordnung offenbart, um die Schalldruckpegel im Rahmen der photoakustischen Spektroskopie zu messen. Dabei wird moduliertes Infrarotlicht in eine Probenzelle emittiert, in der sich ein Gas befindet, das die Wellenlänge des Infrarotlichtes absorbiert. An einem Ende der Probenzelle befindet sich ein Cantilever, welcher durch die Absorption des Infrarotlichtes ausgelenkt wird. Außerhalb der Probenzelle befindet sich ein Michelson-Morley-Interferometer. Der Strahlengang des Michelson-Morley-Interferometers ist derart ausgestaltet, dass dieser durch ein transparentes Fenster den Cantilever trifft. Eine Änderung der Absorption des Gases wirkt sich auch auf die Position des Cantilevers und damit auch auf den Strahlenverlauf des Michelson-Morley-Interferometers aus. Somit wird eine Änderung des Schalldrucks gemessen. Weitere Anwendungen werden hierbei nicht beschrieben. Der Aufbau ist insbesondere durch den Einsatz eines Michelson-Morley-Interferometers aufwendig und nachteilig für eine kompakte Ausgestaltung des Messsystems. In Sievilä et al. (2013) discloses a manufacturing method of a cantilever and a sensor arrangement to measure the sound pressure level in the context of photoacoustic spectroscopy. In this case, modulated infrared light is emitted into a sample cell containing a gas that absorbs the wavelength of the infrared light. At one end of the A cantilever is located in the sample cell, which is deflected by the absorption of the infrared light. Outside the sample cell is a Michelson-Morley interferometer. The beam path of the Michelson-Morley interferometer is designed in such a way that it hits the cantilever through a transparent window. A change in the absorption of the gas also affects the position of the cantilever and thus also the beam path of the Michelson-Morley interferometer. A change in the sound pressure is thus measured. Further applications are not described here. The structure is complex, particularly due to the use of a Michelson-Morley interferometer, and is disadvantageous for a compact configuration of the measuring system.

Mit den im Stand der Technik bekannten MEMS-Mikrofonen ist es auch nur eingeschränkt möglich, geringe Schalldruckpegel präzise zu messen. Insbesondere sind die meisten Messungen mit MEMS-Mikrofonen ungeeignet für geringe Frequenzen und weisen in dem Bereich ein nur geringes Signal-Rausch-Verhältnis auf. With the MEMS microphones known in the prior art, it is also only possible to a limited extent to precisely measure low sound pressure levels. In particular, most measurements with MEMS microphones are unsuitable for low frequencies and only have a low signal-to-noise ratio in this range.

In US 2005/0249041 A1 wird ein MEMS-Mikrofon offenbart, dass eine erhöhte Sensitivität besitzen soll. Das MEMS-Mikrofon der US 2005/0249041 A1 soll u. a. verschiedene Vorteile gegenüber einem theoretischer Ansatz aufweisen, welcher in den einleitenden Absätzen [0007] und [0008] der US 2005/0249041 A1 skizziert wird. Gemäß des diskutierten Ansatzes wird ein Tunnelstrom zwischen einer Messspitze und der Membran durch einen geschlossenen Regelkreis konstant gehalten. Dazu erfolgt ein Nachführen des Cantilevers, an dem die Messspitze angebracht ist, wenn die Membran durch auftreffende Schallwellen in Schwingungen versetzt wird. Ein solches Verfahren würde gemäß der Lehre US 2005/0249041 A1 nachteilig eine hohe Sensitivität vor z. B. Erschütterungen aufweisen und teurer in der Herstellung sein. Darüber hinaus kann es gemäß der US 2005/0249041 A1 bei einem solchen Ansatz vorkommen, dass die Resonanzfrequenz des Cantilevers in den Bereich der zu detektierenden Frequenzen fällt, wodurch eine Kontrolle der Messpitze schwierig bis unmöglich wird. Insofern ist ein solcher Ansatz gemäß der Offenbarung der US 2005/0249041 A1 ungeeignet für die Bereitstellung eines MEMS-Mikrofons. US 2005/0249041 A1 discloses a MEMS microphone that is said to have increased sensitivity. The MEMS microphone of US 2005/0249041 A1 is intended i.a. have various advantages over a theoretical approach outlined in the introductory paragraphs [0007] and [0008] of US 2005/0249041 A1. According to the approach discussed, a tunnel current between a measuring tip and the membrane is kept constant by a closed control loop. For this purpose, the cantilever, to which the measuring tip is attached, is tracked when the membrane is caused to vibrate by impacting sound waves. According to the teaching US 2005/0249041 A1, such a method would disadvantageously have a high sensitivity against B. vibration and be more expensive to manufacture. In addition, according to US 2005/0249041 A1, with such an approach it can happen that the resonant frequency of the cantilever falls within the range of frequencies to be detected, making it difficult if not impossible to check the measuring tip. In this respect, such an approach according to the disclosure of US 2005/0249041 A1 is unsuitable for providing a MEMS microphone.

Das gemäß der Lehre der US 2005/0249041 A1 offenbarte MEMS-Mikrofon umfasst hingegen eine Messspitze, die sich auf einer perforierten, d. h. mit Öffnungen versehenen, Abstützplatte und direkt hinter der Mikrofonmembran befindet. Durch auftretende Schallwellen wird die Mikrofonmembran in Schwingungen versetzt. Zwischen der Messspitze auf der Abstützplatte und der Mikrofonmembran fließt ein Tunnelstrom, der als Messsignal ausgewertet wird. Die Messspitze selbst führt keine Bewegungen aus, wodurch der Einfluss von Erschütterungen verringert werden soll und die Notwendigkeit einer Kontrolle der Bewegung der Messspitze entfällt. Durch die Öffnungen der Abstützplatte können jedoch Verluste des zu detektierenden Schalls auftreten, was dazu führt, dass der Schall nicht mit hoher Genauigkeit gemessen wird. Des Weiteren kann, falls hohe Schalldrücke auftreten, die Mikrofonmembran die Messspitze berühren, da die Messspitze nicht bewegbar ausgestaltet ist. Die Messung erfolgt damit statisch. Berühren sich die Messspitze und die Mikrofonmembran, fließt kein Tunnelstrom mehr, sondern ein ohmscher Strom, was zu einer Änderung des Messsignals führt und einen zuverlässigen und dauerhaften Betrieb beeinträchtigen kann. In Bezug auf die Bereitstellung von MEMS-Mikrofonen für sensitive Messungen, auch bei niedrigen Schalldruckpegeln, besteht mithin ein Bedarf an Verbesserung. In contrast, the MEMS microphone disclosed according to the teaching of US 2005/0249041 A1 comprises a measuring tip which is located on a perforated, ie provided with openings, support plate and directly behind the microphone membrane. The microphone membrane is caused to vibrate by the sound waves that occur. A tunnel current flows between the measuring tip on the support plate and the microphone membrane, which is evaluated as a measuring signal. The measuring tip itself does not move, which is intended to reduce the influence of vibration and eliminate the need to check the movement of the measuring tip. However, the sound to be detected can be lost through the openings in the support plate, with the result that the sound is not measured with great accuracy. Furthermore, if high sound pressures occur, the microphone membrane can touch the measuring tip, since the measuring tip is not designed to be movable. The measurement is thus static. If the measuring tip and the microphone membrane touch, a tunnel current no longer flows, but an ohmic current, which leads to a change in the measurement signal and can affect reliable and long-term operation. There is therefore a need for improvement with regard to the provision of MEMS microphones for sensitive measurements, even at low sound pressure levels.

Aufgabe der Erfindung object of the invention

Aufgabe der Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein MEMS-Mikrofon bereitzustellen, mit dem niedrige Schalldruckpegel mit hoher Auflösung gemessen werden können. Weiterhin sollte sich das MEMS-Mikrofon vorzugsweise durch die Möglichkeit besonders zuverlässiger und dauerhafter Messungen sowie einem kostengünstigen und kompakten Aufbau auszeichnen. The object of the invention was to eliminate the disadvantages of the prior art and to provide a MEMS microphone with which low sound pressure levels can be measured with high resolution. Furthermore, the MEMS microphone should preferably be characterized by the possibility of particularly reliable and long-lasting measurements and an inexpensive and compact structure.

Zusammenfassung der Erfindung Summary of the Invention

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.The object according to the invention is solved by the features of the independent claims. Advantageous configurations of the invention are described in the dependent claims.

In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung ein MEMS-Mikrofon zur Detektion akustischer Signale umfassend eine Schalleintrittsöffnung, eine schwingfähige Mikrofonmembran und eine elektronische Schaltung, wobei durch die Schalleintrittsöffnung eintretende Schallwellen die schwingfähige Mikrofonmembran zu Schwingungen anregen, dadurch gekennzeichnet, dass das MEMS-Mikrofon einen Cantilever umfassend eine Messspitze und einen Aktuator aufweist, wobei die elektronische Schaltung für eine Messung eines Tunnelstroms zwischen der Mikrofonmembran und der Messspitze sowie für eine aktive Anregung des Cantilevers zu Schwingungen eingerichtet ist, wobei zur Detektion akustischer Signale die Messspitze kontaktlos schwingend an die Mikrofonmembran geführt wird, während der messbare Tunnelstrom eine Detektion des von den Schallwellen abhängigen Schwingungsverhaltens der Mikrofonmembran erlaubt. In a preferred embodiment, the invention relates to a MEMS microphone for detecting acoustic signals, comprising a sound entry opening, an oscillatable microphone membrane and an electronic circuit, with sound waves entering through the sound entry opening exciting the oscillatable microphone membrane to oscillate, characterized in that the MEMS microphone has a cantilever comprising a measuring tip and an actuator, wherein the electronic circuit is set up to measure a tunnel current between the microphone membrane and the measuring tip and to actively excite the cantilever to oscillate, with the measuring tip being guided to the microphone membrane in a contactless oscillating manner in order to detect acoustic signals, while the measurable tunnel current allows detection of the vibration behavior of the microphone membrane, which is dependent on the sound waves.

Das erfindungsgemäße MEMS-Mikrofon hat sich dahingehend als überaus vorteilhaft erwiesen, dass es mit besonders hoher Auflösung niedrige Schalldruckpegel präzise messen kann. Das MEMS-Mikrofon weist gegenüber den bekannten MEMS-Mikrofonen des Standes der Technik eine deutlich höhere Sensitivität auf. Dies macht sich beispielsweise dadurch bemerkbar, dass trotz niedriger Schalldruckpegel ein besonders hohes Signal-Rausch-Verhältnis erzielt werden kann. The MEMS microphone according to the invention has proven to be extremely advantageous in that it can measure low sound pressure levels precisely with a particularly high resolution. The MEMS microphone has a significantly higher sensitivity than the known MEMS microphones of the prior art. This is noticeable, for example, in the fact that a particularly high signal-to-noise ratio can be achieved despite the low sound pressure level.

Die hohe Sensitivität bei niedrigen Schalldruckpegel basiert auf dem vorteilhaften Messprinzip unter Ausnutzung eines Tunnelstroms. Bevorzugt wird der Cantilever umfassend der Messspitze durch den Aktuator kontaktlos schwingend zur Mikrofonmembran geführt. Dabei ist der Abstand zwischen der Messspitze und der Mikrofonmembran derart gering, dass durch den quantenmechanischen Tunneleffekt ein Tunnelstrom zwischen der Mikrofonmembran und der Messspitze fließt. Vorzugsweise fließt der Tunnelstrom durch Anlegen einer Spannung. Dabei hängt der Tunnelstrom exponentiell vom Abstand zwischen der Mikrofonmembran und der Messspitze ab. Aufgrund hochsensitiven Abhängigkeit des Tunnelstroms vom Abstand können durch die Messung des Tunnelstroms auch kleinste Distanzänderungen zwischen der Mikrofonmembran und der Messspitze erfasst werden. Durch die aktive Anregung des Cantilevers (insbesondere der Messpitze) zu Schwingungen ändert sich vorzugsweise der Abstand zwischen der Messspitze und der Mikrofonmembran periodisch mit der bekannten Periodizität der anregenden Schwingung. Damit ist bevorzugt der Tunnelstrom ein periodisches Signal dessen Amplitude vom Abstand der Messpitze zur Mikrofonmembran während der Schwingung abhängt. The high sensitivity at low sound pressure levels is based on the advantageous measuring principle using a tunnel current. The cantilever is preferably guided to the microphone diaphragm, encompassing the measuring tip, by the actuator and vibrating without contact. The distance between the measuring tip and the microphone membrane is so small that a tunnel current flows between the microphone membrane and the measuring tip due to the quantum mechanical tunnel effect. The tunnel current preferably flows by applying a voltage. The tunnel current depends exponentially on the distance between the microphone membrane and the measuring tip. Due to the highly sensitive dependence of the tunnel current on the distance, even the smallest changes in distance between the microphone membrane and the measuring tip can be recorded by measuring the tunnel current. Through the active excitation of the cantilever (in particular the measuring tip) to oscillate, the distance between the measuring tip and the microphone membrane preferably changes periodically with the known periodicity of the exciting oscillation. The tunnel current is therefore preferably a periodic signal whose amplitude depends on the distance between the measuring tip and the microphone membrane during the oscillation.

Tritt ein Schallereignis auf, d. h. treffen Schallwellen auf die Mikrofonmembran, wird die Mikrofonmembran ausgelenkt und selbst in Schwingungen versetzt. Somit ändert sich der Abstand zwischen der Mikrofonmembran und der schwingenden Messspitze. Der messbare Tunnelstrom ändert sich mithin in Abhängigkeit des von den Schallwellen abhängigen Schwingungsverhaltens der Mikrofonmembran. If a sound event occurs, i. H. If sound waves hit the microphone membrane, the microphone membrane is deflected and itself set into vibration. This changes the distance between the microphone membrane and the vibrating measuring tip. The measurable tunnel current therefore changes as a function of the vibration behavior of the microphone diaphragm, which is dependent on the sound waves.

Zur Detektion akustischer Signale mittels einer Messung des Tunnelstroms kann die Vorrichtung (hierzu an späterer Stelle im Detail erläutert) unterschiedlich konfiguriert sein. To detect acoustic signals by measuring the tunnel current, the device (explained in detail later) can be configured differently.

Beispielsweise kann, analog zu einem constant height mode, die Detektion derart erfolgen, dass die Auslenkung und Mittelposition der schwingenden Messspitze am Cantilever nicht verändert wird, sodass durch eine Schwingung der Mikrofonmembran der Abstand zwischen dieser und der Messspitze sich ändert und damit auch der Tunnelstrom. For example, analogous to a constant height mode, the detection can be carried out in such a way that the deflection and center position of the oscillating measuring tip on the cantilever is not changed, so that the distance between this and the measuring tip changes due to a vibration of the microphone membrane and thus also the tunnel current.

Alternativ kann beispielsweise die Vorrichtung auch dafür ausgelegt sein, dass zur konstanten Haltung einer Amplitude des Tunnelstroms die Mittelposition der Schwingung des Cantilevers angepasst wird. Diese Konfiguration entspräche einem constant current mode Messprinzip, wobei der Tunnelstrom bzw. dessen Amplitude als Regelgröße für die Mittelposition der schwingenden Messspitze genutzt wird. Alternatively, for example, the device can also be designed such that the center position of the oscillation of the cantilever is adjusted in order to keep the amplitude of the tunnel current constant. This configuration would correspond to a constant current mode measurement principle, with the tunnel current or its amplitude being used as a controlled variable for the middle position of the oscillating measuring tip.

Erfindungsgemäß wird in jedem Fall vorteilhaft ausgenutzt, dass das Tunnelstromsignal äußerst sensitiv auch gegenüber kleinsten Auslenkungen der Mikrofonmembran ist, sodass überaus geringe Schalldruckpegeländerungen zuverlässig detektiert werden. In any case, according to the invention, advantage is taken of the fact that the tunnel current signal is extremely sensitive even to the smallest deflections of the microphone diaphragm, so that extremely small changes in the sound pressure level are reliably detected.

Vorteilhaft können mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung besonders geringe Schalldruckpegel mit hoher Genauigkeit gemessen werden. So kann das erfindungsgemäße MEMS-Mikrofon vorteilhafterweise Schalldruckpegel messen, die insbesondere weniger als ca. Particularly low sound pressure levels can advantageously be measured with high accuracy by means of the device according to the invention. In this way, the MEMS microphone according to the invention can advantageously measure sound pressure levels which, in particular, are less than approx.

20 dB (Dezibel), bevorzugt weniger als ca. 10 dB, besonders bevorzugt weniger als ca. 5 dB und sogar weniger als ca. 1 dB, betragen. 20 dB (decibels), preferably less than about 10 dB, more preferably less than about 5 dB, and even less than about 1 dB.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass das erfindungsgemäße MEMS-Mikrofon niedrige Schalldruckpegel mit besonders hohem Signal-Rausch-Verhältnis messen kann. It is particularly advantageous that the MEMS microphone according to the invention can measure low sound pressure levels with a particularly high signal-to-noise ratio.

Begriffe wie im Wesentlichen, ca. etc. beschreiben bevorzugt einen Toleranzbereich von weniger als ± 40 %, bevorzugt weniger als ± 20 %, besonders bevorzugt weniger als ± 10 %, noch stärker bevorzugt weniger als ± 5 % und insbesondere weniger als ± 1 % und umfassen insbesondere den exakten Wert. Teilweise beschreibt bevorzugt zu mindestens 5 %, besonders bevorzugt zu mindestens 10 %, und insbesondere zu mindestens 20 %, in einigen Fällen zu mindestens 40 %.Terms such as essentially, approximately etc. preferably describe a tolerance range of less than ±40%, preferably less than ±20%, particularly preferably less than ±10%, even more preferably less than ±5% and in particular less than ±1% and include in particular the exact value. Partially describes preferably at least 5%, more preferably at least 10%, and especially at least 20%, in some cases at least 40%.

Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren dahingehend vorteilhaft, dass durch die Bewegungsfähigkeit der Messspitze, insbesondere durch die Schwingung der Messspitze, eine Berührung mit der Mikrofonmembran vermieden wird. Eine mögliche Berührung könnte beispielsweise in der US 2005/0249041 A1 erfolgen, wenn die Mikrofonmembran bei hohen Schalldruckpegeln starke Auslenkungen widerfährt. Vorteilhafterweise kann dies durch das erfindungsgemäße MEMS-Mikrofon vermieden werden, da die Messspitze kontaktlos schwingend an die Mikrofonmembran geführt wird. Mithin wird Verschleiß vermieden und eine langanhaltende Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen MEMS-Mikrofons gewährleistet. Furthermore, the method according to the invention is advantageous in that contact with the microphone membrane is avoided due to the ability of the measuring tip to move, in particular due to the vibration of the measuring tip. A possible touch could for example, in US 2005/0249041 A1, when the microphone membrane experiences strong deflections at high sound pressure levels. Advantageously, this can be avoided by the MEMS microphone according to the invention, since the measuring tip is guided to the microphone membrane in a non-contact oscillating manner. Consequently, wear and tear is avoided and long-lasting functionality of the MEMS microphone according to the invention is ensured.

Weiterhin erlaubt die dynamische Messung des Tunnelstroms mittels einer kontaktlos schwingenden Messpitze ein hochsensitives Abtasten des Schwingungsverhalten der Membran für einen nahezu beliebigen Frequenzbereich. Insbesondere kann die Modulationsfrequenz der schwingenden Messspitze frei gewählt werden, sodass unabhängig von der Anregungsfrequenz bei sehr niedrigen (0 Hz) bis sehr hohen Frequenzen (MHz) gemessen werden kann. Durch die Unabhängigkeit der Modulationsfrequenz der Messspitze von der Anregungsfrequenz kann vorteilhaft über einen weiten Frequenzbereich ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis erzielt werden. Dies stellt einen besonderen Vorteil gegenüber bekannten MEMS-Mikrofonen dar, welche insbesondere bei tieferen Frequenzen ein erhöhtes Rauschen zeigen. Furthermore, the dynamic measurement of the tunnel current by means of a non-contact oscillating measuring tip allows highly sensitive scanning of the vibration behavior of the membrane for almost any frequency range. In particular, the modulation frequency of the oscillating measuring tip can be freely selected, so that measurements can be taken at very low (0 Hz) to very high frequencies (MHz) regardless of the excitation frequency. Because the modulation frequency of the measuring tip is independent of the excitation frequency, a high signal-to-noise ratio can advantageously be achieved over a wide frequency range. This represents a particular advantage over known MEMS microphones, which exhibit increased noise, particularly at lower frequencies.

Im erfindungsgemäßen Kontext ist es bevorzugt vorgesehen, dass der Cantilever umfassend die Messspitze eine periodische Schwingung ausführt, zu der sie aktiv angeregt wird. Die periodische Schwingung des Cantilevers erfolgt bevorzugt im Sinne eines tapping. Damit ist bevorzugt gemeint, dass der Cantilever eine kontinuierliche, periodische Schwingung ausführt, welche unabhängig von einer Bewegung der Mikrofonmembran ist. Stattdessen wird die Messspitze kontaktlos schwingend an die Mikrofonmembran geführt, um auf diese Weise eine Detektion etwaiger Schwingungen der Membran zu ermöglichen, sofern diese durch Schallwellen angeregt wird. Bei einer solchen kontaktlosen Schwingung des Cantilevers im Sinne eines tapping ändert die Messspitze mithin den Abstand zur schwingenden Membran vorzugsweise periodisch. In the context of the invention, it is preferably provided that the cantilever, including the measuring tip, performs a periodic oscillation, to which it is actively excited. The periodic oscillation of the cantilever preferably takes place in the sense of a tapping. This preferably means that the cantilever executes a continuous, periodic oscillation that is independent of a movement of the microphone membrane. Instead, the measuring tip is guided to the microphone membrane while vibrating without contact, in order to enable the detection of any vibrations of the membrane if it is excited by sound waves. With such a contactless oscillation of the cantilever in the sense of a tapping, the measuring tip consequently changes the distance to the oscillating membrane, preferably periodically.

Dadurch unterscheidet sich das erfindungsgemäße MEMS-Mikrofon auch von dem in der US 2005/0249041 A1 in den Abs. [0007] und [0008] beschriebenen nachteiligen Ansatz, bei dem eine Messpitze eines Cantilevers etwaigen Schwingungen der Membran nachgeführt wird. In dem beschriebenen Ansatz erfolgt gerade keine aktive Anregung eines Cantilevers, welcher dabei kontaktlos schwingend an die Mikrofonmembran geführt wird. Stattdessen wird der Abstand der Messspitze zur Membran konstant gehalten. As a result, the MEMS microphone according to the invention also differs from the disadvantageous approach described in US 2005/0249041 A1 in paragraphs [0007] and [0008], in which a measuring tip of a cantilever tracks any vibrations of the membrane. In the approach described, there is currently no active excitation of a cantilever, which is guided to the microphone membrane while vibrating without contact. Instead, the distance between the measuring tip and the membrane is kept constant.

Die aktiv angeregte periodische Schwingung des Cantilevers im Sinne eines erfindungsgemäßen tapping ist somit nicht mit einem Nachführen des Cantilevers an Schwingungen der Mikrofonmembran zu vergleichen, welcher den jeglichen Bewegungen der Membran aufgrund einer Schallanregung lediglich folgt. Die aktiv angeregte periodische Schwingung des Cantilevers erfolgt stattdessen unabhängig von Schwingungen der Mikrofonmembran und wird über den gesamten Detektionsprozess aufrechterhalten. The actively excited periodic oscillation of the cantilever in the sense of tapping according to the invention is therefore not to be compared with tracking the cantilever to oscillations of the microphone membrane, which merely follows any movements of the membrane due to sound excitation. Instead, the actively stimulated periodic oscillation of the cantilever occurs independently of the oscillations of the microphone membrane and is maintained over the entire detection process.

Dies wird auch dadurch deutlich, dass die Schwingung des Cantilevers bevorzugt mit einer um ein Vielfaches höhere Frequenz (beispielsweise um einen Faktor 2, 3, 4 oder mehr) erfolgt als erwartbare Schwingungen der Mikrofonmembran. Im Gegensatz zu einem Nachführen des Cantilevers kann insbesondere zudem eine nachteilig hohe Sensitivität in Bezug auf Vibrationen vermieden werden. Somit kann durch eine aktive Anregung des Cantilevers zu periodischen Schwingungen vorteilhaft die Messung von Schallereignissen mit hoher Sensitivität auch bei äußerst geringem Schalldruckpegel gewährleistet werden. Dem erfindungsgemäßen MEMS-Mikrofon gelingt es dabei vorteilhafterweise, den Einfluss von Störfaktoren zu verringern oder zu beseitigen. This is also made clear by the fact that the vibration of the cantilever preferably takes place at a frequency which is many times higher (for example by a factor of 2, 3, 4 or more) than the expected vibrations of the microphone membrane. In contrast to tracking the cantilever, a disadvantageously high sensitivity with regard to vibrations can also be avoided. Active excitation of the cantilever to cause periodic oscillations can thus advantageously ensure the measurement of sound events with high sensitivity even at an extremely low sound pressure level. The MEMS microphone according to the invention advantageously succeeds in reducing or eliminating the influence of interference factors.

Zudem ist das erfindungsgemäße MEMS-Mikrofon dahingehend vorteilhaft, dass keine Strömungsverluste des Fluids resultieren, in dem sich der Schall ausbreitet. Stattdessen trifft der Schall vorzugsweise unmittelbar auf die Mikrofonmembran, ohne dass eine Verzerrung der Schallwellen oder Energieverluste durch weitere Komponenten entstünden. Somit kann vorteilhafterweise ein besonders genaues und unverfälschtes Signal gemessen werden. In dieser Hinsicht kann es auch bevorzugt sein, dass das erfindungsgemäße MEMS-Mikrofon außer einer Schalleintrittsöffnung keine weiteren Öffnungen aufweist. In addition, the MEMS microphone according to the invention is advantageous in that there are no flow losses in the fluid in which the sound propagates. Instead, the sound preferably hits the microphone membrane directly, without the sound waves being distorted or energy losses being caused by other components. A particularly accurate and undistorted signal can thus advantageously be measured. In this regard, it can also be preferred that the MEMS microphone according to the invention has no further openings apart from a sound entry opening.

Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße MEMS-Mikrofon vorteilhaft besonders prozesseffizient herstellbar, da es durch standardisierte Prozesse der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik bereitgestellt werden kann. Hierbei kann insbesondere auf bewährte, automatisierte Verfahren der Halbleiterprozessierung zurückgegriffen werden, um eine kostengünstige Massenherstellung umzusetzen. In addition, the MEMS microphone according to the invention can advantageously be produced in a particularly process-efficient manner, since it can be provided using standardized processes in semiconductor and microsystems technology. Here, in particular, proven, automated methods of semiconductor processing can be used in order to implement cost-effective mass production.

Das erfindungsgemäße MEMS-Mikrofon nutzt eine neue Anwendung von Messspitzen, die aus der Rastertunnelmikroskopie bekannt sind und kann daher zudem ebenfalls auf bekannte Prozesse zur Herstellung solcher Messpitzen zurückgreifen. Die erfindungsgemäße Messspitze wird jedoch nicht für die Aufnahme der Struktur einer Materialoberfläche verwendet, sondern für akustische Zwecke zur Detektion von Schallereignissen. Somit kombiniert das erfindungsgemäße MEMS-Mikrofon auf effiziente Weise zwei unterschiedliche technische Gebiete, um eine deutliche Verbesserung hinsichtlich der Detektion akustische Signale zu ermöglichen. The MEMS microphone according to the invention uses a new application of measuring tips that are known from scanning tunneling microscopy and can therefore also use known processes for producing such measuring tips. However, the measuring tip according to the invention is not used to record the structure of a material surface, but rather for acoustic purposes to detect sound events. The MEMS microphone according to the invention thus efficiently combines two different technical fields in order to enable a significant improvement in terms of the detection of acoustic signals.

Das erfindungsgemäße MEMS-Mikrofon stellt eine vorteilhafte Weiterentwicklung von üblichen MEMS-Mikrofonen dar, in dem durch eine dynamische Messung eines Tunnelstroms hochsensitive Messungen des Schwingungsverhaltens einer Mikrofonmembran verwandt werden und der Messbereich des MEMS-Mikrofonen in Bezug auf Schalldruckpegel deutlich unter 20 dB erstreckt werden kann. Wie obig erläutert, wird hierbei ausgenutzt, dass der Abstand zwischen Messspitze und Mikrofonmembran mit exponentiell vom Abstand abhängt. Alternative Messmethoden, wie beispielsweise, kapazitiven Messmethoden weisen lediglich eine lineare Korrelation zwischen (kapazitivem) Messsignal und Auslenkung der Mikrofonmembran auf. Während aufgrund der Nichtlinearität eine MEMS-Mikrofon auf Basis eines Tunnelstroms für klassische Audioanwendungen weniger interessant ist, wurde erfindungsgemäß erkannt, dass die Nichtlinearität für höchst sensitive Schalldetektionen ausgenutzt werden kann, beispielsweise für die photoakustische Spektroskopie. The MEMS microphone according to the invention represents an advantageous further development of conventional MEMS microphones, in which highly sensitive measurements of the vibration behavior of a microphone membrane are used by dynamic measurement of a tunnel current and the measurement range of the MEMS microphone in terms of sound pressure level can be extended well below 20 dB . As explained above, the fact that the distance between the measuring tip and the microphone membrane depends exponentially on the distance is used here. Alternative measurement methods, such as capacitive measurement methods, only show a linear correlation between the (capacitive) measurement signal and the deflection of the microphone membrane. While a MEMS microphone based on a tunnel current is less interesting for classic audio applications due to the non-linearity, it was recognized according to the invention that the non-linearity can be exploited for highly sensitive sound detections, for example for photoacoustic spectroscopy.

Ein MEMS-Mikrofon bezeichnet bevorzugt ein Mikrofon, welches auf MEMS-Technologie basiert und dessen klangaufnehmenden Strukturen mindestens teilweise eine Dimensionierung im Mikrometerbereich (ca. 1 pm bis ca. 1000 pm) aulweisen. Die klangaufnehmenden Strukturen werden vorzugsweise als Mikrofonmembran bezeichnet. Bevorzugt kann die Mikrofonmembran in Breite, Höhe und/oder Dicke eine Dimension im Bereich von weniger als 1000 pm aufweisen. Bevorzugt ist die Mikrofonmembran ist bevorzugt flächig, das bedeutet insbesondere, dass ihre Ausdehnung in jeder der zwei Dimensionen (Höhe, Breite) ihrer Fläche größer ist als in einer hierzu senkrechten Dimension (der Dicke). Beispielsweise können Größenverhältnisse von mindestens 5:1 , bevorzugt mindestens 10:1 , 50: 1 oder mehr bevorzugt sein. A MEMS microphone preferably designates a microphone which is based on MEMS technology and whose sound-recording structures are at least partially dimensioned in the micrometer range (approx. 1 μm to approximately 1000 μm). The sound-recording structures are preferably referred to as microphone membranes. The width, height and/or thickness of the microphone membrane can preferably be less than 1000 μm. The microphone diaphragm is preferably two-dimensional, which means in particular that its extension in each of the two dimensions (height, width) of its surface is greater than in one dimension perpendicular thereto (the thickness). For example, size ratios of at least 5:1, preferably at least 10:1, 50:1 or more can be preferred.

In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Länge oder Breite der Mikrofonmembran zwischen 1 pm und 1000 pm, bevorzugt zwischen 10 pm und 500 pm. Auch Zwischenbereiche aus den vorgenannten Bereichen können bevorzugt seien wie beispielsweise 1 pm bis 10 pm, 10pm bis 50 pm, 50 pm bis 100 pm, 100 pm bis 200 pm, 200 pm bis 300 pm, 300 pm bis 400 pm, 400 pm bis 500 pm, 600 pm bis 700 pm, 700 pm bis 800 pm, 800 pm bis 900 pm oder auch 900 pm bis 1000 pm. Ein Fachmann erkennt, dass die vorgenannten Bereichsgrenzen auch kombiniert werden können, um weitere bevorzugte Bereich zu erhalten, wie beispielsweise 10 pm bis 200 pm, 50 pm bis 300 pm oder auch 100 pm bis 600 pm. In a preferred embodiment, the length or width of the microphone membrane is between 1 μm and 1000 μm, preferably between 10 μm and 500 μm. Intermediate ranges from the above ranges can also be preferred, such as 1 μm to 10 μm, 10 μm to 50 μm, 50 μm to 100 μm, 100 μm to 200 μm, 200 μm to 300 μm, 300 μm to 400 μm, 400 μm to 500 μm pm, 600 pm to 700 pm, 700 pm to 800 pm, 800 pm to 900 pm or also 900 pm to 1000 pm. A person skilled in the art recognizes that the aforementioned range limits can also be combined in order to obtain further preferred ranges, such as 10 μm to 200 μm, 50 μm to 300 μm or also 100 μm to 600 μm.

In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke Membran zwischen 100 nm und 10 pm, bevorzugt zwischen 500 nm und 5 pm. Auch Zwischenbereiche aus den vorgenannten Bereichen können bevorzugt seien wie beispielsweise 100 nm bis 500 nm, 500 nm bis 1 pm, 1 pm bis 1 ,5 pm, 1 ,5 pm bis 2 pm, 2 pm bis 3 pm, 3 pm bis 4 pm, 4 pm bis 5 pm, 5 pm bis 6 pm, 6 pm bis 7 pm, 7 pm bis 8 pm, 8 pm bis 9 pm oder auch 9 pm bis 10 pm. Ein Fachmann erkennt, dass die vorgenannten Bereichsgrenzen auch kombiniert werden können, um weitere bevorzugte Bereich zu erhalten, wie beispielsweise500 nm bis 3 pm, 1 pm bis 5 pm oder auch 1500 nm bis 6 pm.In a preferred embodiment, the thickness of the membrane is between 100 nm and 10 μm, preferably between 500 nm and 5 μm. Intermediate ranges from the aforementioned ranges can also be preferred, for example 100 nm to 500 nm, 500 nm to 1 μm, 1 μm to 1.5 μm, 1.5 μm to 2 μm, 2 μm to 3 μm, 3 μm to 4 μm , 4 pm to 5 pm, 5 pm to 6 pm, 6 pm to 7 pm, 7 pm to 8 pm, 8 pm to 9 pm or also 9 pm to 10 pm. A person skilled in the art recognizes that the aforementioned range limits can also be combined in order to obtain further preferred ranges, such as 500 nm to 3 pm, 1 pm to 5 pm or even 1500 nm to 6 pm.

Im Laufe der Entwicklung von MEMS-Mikrofonen haben sich unterschiedliche Bautypen etabliert. Dabei lassen sich diese nach der Art ihrer Schallzuführung kategorisieren. Trifft der Schall über die Gehäuseunterseite auf die Mikrofonmembran, so spricht man von einem Bottom-Port-MEMS- Mikrofon. Bottom-Port-MEMS-Mikrofone erfordern zusätzlich eine Öffnung auf dem Substrat, auf dem sich die Komponenten des MEMS-Mikrofons befinden (auch Trägersubstrat genannt), denn nur so ist für Schallwellen der Weg zur Mikrofonmembran frei. Trifft der Schall über die Gehäuseoberseite auf den Sensor, so spricht man von einem Top-Port-MEMS-Mikrofon. Ob ein Top-Port- oder ein Bottom-Port-MEMS-Mikrofon bevorzugt wird, richtet sich zumeist nach Faktoren wie der Anordnung des Mikrofons im Produkt und/oder nach Fertigungsgesichtspunkten. Das MEMS-Mikrofon kann ein Top-Port-MEMS-Mikrofon oder ein Bottom-Port-MEMS-Mikrofon sein. In the course of the development of MEMS microphones, different construction types have become established. These can be categorized according to the type of sound they are fed into. If the sound hits the microphone membrane via the underside of the housing, this is referred to as a bottom-port MEMS microphone. Bottom-port MEMS microphones also require an opening on the substrate on which the components of the MEMS microphone are located (also called the carrier substrate), because this is the only way for sound waves to find their way to the microphone membrane. If the sound hits the sensor via the top of the housing, it is called a top-port MEMS microphone. Whether a top-port or bottom-port MEMS microphone is preferred mostly depends on factors such as the placement of the microphone in the product and/or manufacturing considerations. The MEMS microphone can be a top port MEMS microphone or a bottom port MEMS microphone.

Die Mikrofonmembran ist zur Aufnahme von Druckwellen des Fluids eingerichtet. Bei dem Fluid kann es sich sowohl um ein gasförmiges als auch um ein flüssiges Fluid handeln, bevorzugt handelt es sich um Schalldruckwellen. Ein MEMS-Mikrofon wandelt mithin bevorzugt Druckwellen in elektrische Signale um. Die Mikrofonmembran ist bevorzugt hinreichend dünn, sodass sie sich unter dem Einfluss der von den Schallwellen verursachten Luftdruckänderungen durchbiegt und in ein Schwingungsverhalten übergeht. Während die Mikrofonmembran schwingt, können sich elektrische Größen ändern, wie insbesondere die Stromstärke des Tunnelstroms zwischen der Mikrofonmembran und der Messspitze. Die Änderung einer elektrischen Größe kann von einer bevorzugt in dem MEMS-Mikrofon eingebauten elektronischen Schaltung, beispielsweise ein ASIC oder eine Recheneinheit, gemessen, aufgenommen und/oder ausgewertet werden. Die elektronische Schaltung misst vorzugsweise Änderungen von derartigen elektrischen Größen, die entstehen, wenn die Mikrofonmembran unter dem Einfluss von Schallwellen schwingt. Die elektronische Schaltung wandelt die Schwingungen der Mikrofonmembran bevorzugt in elektrische Signale um. Die elektronische Schaltung umfasst dabei bevorzugt elektrische Verbindungen, beispielsweise Drähte. Vorzugsweise ist die elektronische Schaltung mit dem Cantilever und/oder der Messspitze verbunden, sodass bevorzugt der Tunnelstrom ausgelesen werden kann. The microphone membrane is set up to record pressure waves of the fluid. The fluid can be either a gaseous or a liquid fluid, preferably sound pressure waves. A MEMS microphone therefore preferably converts pressure waves into electrical signals. The microphone membrane is preferably sufficiently thin so that it bends under the influence of the changes in air pressure caused by the sound waves and changes to an oscillating behavior. As the microphone membrane vibrates, electrical quantities can change, such as the current strength of the tunnel current between the microphone membrane and the measuring tip. The change in an electrical variable can be measured, recorded and/or evaluated by an electronic circuit preferably installed in the MEMS microphone, for example an ASIC or a computing unit. The electronic circuit preferably measures changes in such electrical quantities that arise when the microphone membrane vibrates under the influence of sound waves. The electronic circuit preferably converts the vibrations of the microphone diaphragm into electrical signals. The electronic circuit preferably includes electrical connections, for example wires. The electronic circuit is preferably connected to the cantilever and/or the measuring tip, so that the tunnel current can preferably be read out.

Zudem kann die elektronische Schaltung einen ASIC (englisch application-specific integrated circuit, deutsch anwendungsspezifische integrierte Schaltung), eine Recheneinheit, eine integrierte Schaltung (IC), eine programmierbare logische Schaltung (PLD), ein Field Programmable Gate Array (FPGA), einen Mikroprozessor, einen Mikrocomputer, eine speicherprogrammierbare Steuerung und/oder sonstige elektronische Schaltungselemente aufweisen. In addition, the electronic circuit can have an ASIC (English application-specific integrated circuit, German application-specific integrated circuit), a computing unit, an integrated circuit (IC), a programmable logic circuit (PLD), a Field Programmable Gate Array (FPGA), a microprocessor , Have a microcomputer, a programmable logic controller and / or other electronic circuit elements.

Die elektronische Schaltung ist bevorzugt zum einen dazu eingerichtet eine Messung eines Tunnelstroms zwischen der Mikrofonmembran und der Messspitze auszuführen. Zum anderen ist die elektronische Schaltung bevorzugt dazu eingerichtet eine aktive Anregung des Cantilevers zu Schwingungen zu bewirken. The electronic circuit is preferably set up on the one hand to carry out a measurement of a tunnel current between the microphone membrane and the measuring tip. On the other hand, the electronic circuit is preferably set up to bring about an active excitation of the cantilever to oscillate.

Die Formulierung, wonach die elektronische Schaltung dafür eingerichtet ist einen bestimmten Verfahrensschritt auszuführen, wie z.B. die Messung eines Tunnelstroms oder eine aktive Anregung des Cantilevers zu Schwingungen, meint bevorzugt, dass auf der elektronischen Schaltung eine Software oder Firmware installiert vorliegt, welche Befehle umfasst die genannten Verfahrensschritte durchzuführen. The formulation according to which the electronic circuit is set up to carry out a specific method step, such as measuring a tunnel current or actively exciting the cantilever to oscillate, preferably means that software or firmware is installed on the electronic circuit, which includes the commands mentioned carry out procedural steps.

Die elektronische Schaltung ist vorzugsweise zudem programmierfähig, sodass Einstellungen hinsichtlich des Betriebs des MEMS-Mikrofons verschiedene Betriebsmöglichkeiten aufweisen kann. So kann es bevorzugt sein, dass ein Anregungsmodus hinsichtlich der Messspitze und/oder des Cantilevers wählbar ist, wozu beispielsweise in der Software installiert verschiedene Betriebsmöglichkeiten installiert sein können. In addition, the electronic circuit is preferably programmable, so that settings with regard to the operation of the MEMS microphone can have different operating options. It can thus be preferred that an excitation mode with regard to the measuring tip and/or the cantilever can be selected, for which purpose various operating options can be installed in the software, for example.

Die Schalleintrittsöffnung bezeichnet bevorzugt eine Öffnung des MEMS-Mikrofons, durch die Schallwellen hindurchgelangen und auf die Mikrofonmembran treffen können. Vorzugsweise befindet sich die Schalleintrittsöffnung in Fließrichtung des Fluids, insbesondere Luft, vor der Mikrofonmembran. The sound entry opening preferably designates an opening of the MEMS microphone through which sound waves can pass and impinge on the microphone membrane. The sound entry opening is preferably located in the flow direction of the fluid, in particular air, in front of the microphone membrane.

Ein akustisches Signal bezeichnet bevorzugt ein elektrisches Signal, das durch Schall entsteht. Dabei ist bevorzugt Schall eine als Welle fortschreitende mechanische Deformation in einem Medium. In einem Fluid ist Schall stets eine Longitudinalwelle, insbesondere auch in Luft. Die Begriffe „Schall“ und „Schallwelle“ können daher synonym verwendet werden. In Gasen wie Luft kann Schall als eine dem statischen Luftdruck überlagerte Schalldruckwelle beschrieben werden. Meistens sind bei Schallwellen die Schwankungen der Zustandsgrößen Druck und Dichte klein im Verhältnis zu ihren Ruhegrößen. Wenn im Folgenden Luft als Fluid der Schallwellen diskutiert wird, so weiß der durchschnittliche Fachmann, dass die Erläuterungen auch auf andere Fluide übertragbar sind. An acoustic signal preferably designates an electrical signal that is produced by sound. Sound is preferably a mechanical deformation in a medium that progresses as a wave. In a fluid, sound is always a longitudinal wave, especially in air. The terms “sound” and “sound wave” can therefore be used synonymously. In gases such as air, sound can be described as a sound pressure wave superimposed on the static air pressure. In the case of sound waves, the fluctuations in the state variables pressure and density are usually small in relation to their rest variables. If air is discussed below as the fluid of the sound waves, the person skilled in the art knows that the explanations can also be transferred to other fluids.

Ein Cantilever, oder synonym Biegebalken, ist vorzugsweise ein räumlich ausgedehntes, insbesondere längliches Element, welches entlang mindestens einer Seite schwingfähig gelagert und ansonsten vorzugsweise freistehend ist. Die schwingfähige Seite des Cantilevers kann auch als freies Ende bezeichnet werden. Ein Cantilever kann z. B. die Form eines flächigen, länglichen Quaders aufweisen, dessen Dicke deutlich kleiner im Vergleich zur Quer- und/oder Längsausdehnung ist, wobei bevorzugt die Querausdehnung kleiner ist als die Längsausdehnung. So kann es beispielsweise bevorzugt sein, dass der Cantilever eine Dicke von 0,1 pm bis 10 pm, bevorzugt von 0,5 pm bis 5 pm eine Länge von 10 pm bis 1000 pm, bevorzugt 20 pm bis 500 pm sowie eine Breite von 5 pm bis 100 pm, bevorzugt 10 pm bis 50 pm aufweist. Insbesondere die Dicke des Cantilevers ist relevant, da eine höhere Dicke mit einer verringerten Fähigkeit der Verbiegung einhergeht. Daher ist bevorzugt, dass die Dicke um ein Vielfaches, d. h. um einen Faktor 2, 3, 5, 10 oder mehr niedriger ist als die Länge und/oder Breite. Weiterhin ist es bevorzugt, dass auch die Breite niedriger ist als die Länge. Es kann jedoch auch ein beidseitig bzw. mehrseitig schwingbar gelagerter Biegebalken bevorzugt sein. Der Cantilever kann in verschiedenen Bauweisen vorliegen, die vorzugsweise für die Auswahl des Aktuators relevant sind. A cantilever, or synonymously a bending beam, is preferably a spatially extended, in particular elongate, element which is mounted so as to be able to oscillate along at least one side and is otherwise preferably free-standing. The oscillatable side of the cantilever can also be referred to as the free end. A cantilever can e.g. B. have the shape of a flat, elongated cuboid, the thickness of which is significantly smaller compared to the transverse and / or longitudinal extent, with the transverse extent preferably being smaller than the longitudinal extent. For example, it may be preferred that the cantilever has a thickness of 0.1 μm to 10 μm, preferably 0.5 μm to 5 μm, a length of 10 μm to 1000 μm, preferably 20 μm to 500 μm and a width of 5 pm to 100 pm, preferably 10 pm to 50 pm. In particular, the thickness of the cantilever is relevant, since greater thickness is associated with a reduced ability to bend. It is therefore preferred that the thickness is a multiple, ie a factor of 2, 3, 5, 10 or more, than the length and/or width. Furthermore, it is preferred that the width is also smaller than the length. However, a bending beam that is mounted so that it can swing on both sides or on more than one side can also be preferred. The cantilever can be in different designs, which are preferably relevant for the selection of the actuator.

Dabei kann der Cantilever bevorzugt ein unimorpher bzw. monomorpher Cantilever sein, der vorzugsweise eine aktive Schicht und eine inaktive bzw. passive Schicht umfasst. Dabei bezeichnet eine aktive Schicht vorzugsweise eine piezoelektrische Schicht, bei der eine Kraft bzw. eine Deformation durch ein anliegendes elektrisches Feld, insbesondere durch Anlegen einer elektrischen Steuerspannung (erzeugbar durch die elektronische Schaltung), ausgelöst wird. Diese Kraft bzw. Deformation erzeugt vorzugsweise ein Durchbiegen und/oder eine Verformung des Balkens, welche bevorzugt durch ein periodisches elektrisches Steuersignal eine aktive Schwingung auslösen kann. Die inaktive Schicht umfasst dabei vorzugsweise ein nichtpiezoelektrisches Material. Dabei ist bevorzugt, dass aktive Schicht und inaktive Schicht so Zusammenwirken, dass eine resultierende Kraft aufgrund der angelegten Steuerspannung erzeugt wird, welche eine Auslenkung des Balkens hervorruft, welche bei einer Periodizität des elektrischen Steuersignals bevorzugt eine Schwingung verursacht. Es kann ebenso bevorzugt sein, dass auch die inaktive Schicht ein piezoelektrisches Material umfasst, welches jedoch nicht elektrisch kontaktiert und/oder durch ein Steuersignal angesteuert wird, an dem vorteilhafterweise kein elektrisches Steuersignal angelegt wird und welche insbesondere kein externes elektrisches Feld erfährt, welches eine interne Kraft und/oder eine Verformung aufgrund des indirekten piezoelektrischen Effekts der inaktiven Schicht auslöst. In this case, the cantilever can preferably be a unimorph or monomorph cantilever, which preferably comprises an active layer and an inactive or passive layer. In this case, an active layer preferably designates a piezoelectric layer in which a force or a deformation is triggered by an applied electrical field, in particular by applying an electrical control voltage (which can be generated by the electronic circuit). This force or deformation preferably produces a bending and/or a deformation of the beam, which can preferably trigger an active oscillation by means of a periodic electrical control signal. In this case, the inactive layer preferably comprises a non-piezoelectric material. It is preferred that the active layer and the inactive layer interact in such a way that a resultant force is generated due to the control voltage applied, which causes a deflection of the beam, which preferably causes an oscillation given a periodicity of the electrical control signal. It can also be preferred that the inactive layer also comprises a piezoelectric material, which, however, is not electrically contacted and/or controlled by a control signal, to which advantageously no electrical control signal is applied and which, in particular, does not experience an external electric field that creates an internal Triggers force and/or deformation due to the indirect piezoelectric effect of the inactive layer.

Ebenso kann der Cantilever bevorzugt ein bimorpher Cantilever sein, welcher vorzugsweise mindestens zwei aktive Schichten umfasst. Dabei kann bevorzugt eine inaktive Schicht zwischen den mindestens zwei aktiven Schichten vorhanden sein. Dabei ist bevorzugt, dass bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine aktive Schicht kontrahiert, während die zweite aktive Schicht expandiert, wodurch vorteilhafterweise eine Biegung des Cantilevers erreicht wird, welche insbesondere gegenüber einem unimorphen Cantilever verstärkt ist, also z. B. bei gleicher angelegter Spannung eine größere Amplitude aufweist. Likewise, the cantilever can preferably be a bimorph cantilever, which preferably comprises at least two active layers. In this case, an inactive layer can preferably be present between the at least two active layers. It is preferred that when an electrical voltage is applied, one active layer contracts while the second active layer expands, as a result of which bending of the cantilever is advantageously achieved, which is increased in particular compared to a unimorph cantilever, ie z. B. has a larger amplitude at the same applied voltage.

Vorzugsweise umfasst der Cantilever eine Messspitze. Die Messspitze (englisch tip) befindet sich dabei bevorzugt im Wesentlichen am freien Ende des Cantilevers. Dabei ist die elektronische Schaltung dazu eingerichtet, den Cantilever und damit auch die Messspitze derart in Schwingungen zu versetzen, dass die Messspitze kontaktlos schwingend an die Mikrofonmembran zu führen, wobei der Abstand so gering ist, dass ein Tunnelstrom zwischen der Mikrofonmembran und der Messspitze fließt. Dabei weisen bevorzugt die Messspitze und die Mikrofonmembran elektrisch leitfähiges Material auf. Bevorzugt ist es auch, dass der Cantilever derart in Schwingungen versetzt wird, dass die Messspitze im Wesentlichen senkrecht kontaktlos schwingend an die Mikrofonmembran geführt wird. Vorzugsweise weist die Messspitze lediglich einige Atomlagen in ihrem spitzen Ende auf. So kann beispielsweise die Messspitze an ihrem spitzen Ende einen Querschnitt von weniger als 50 nm2, bevorzugt von weniger als 20 nm2, besonders bevorzugt von weniger als 10 nm2, aufweisen. The cantilever preferably includes a measuring tip. The measuring tip (English tip) is preferably located essentially at the free end of the cantilever. In this case, the electronic circuit is set up to enable the cantilever and thus also the measuring tip to oscillate in such a way that the measuring tip vibrates without contact to the To lead microphone membrane, the distance is so small that a tunnel current flows between the microphone membrane and the measuring tip. In this case, the measuring tip and the microphone membrane preferably have electrically conductive material. It is also preferred that the cantilever is made to oscillate in such a way that the measuring tip is guided to the microphone membrane in an essentially vertically oscillating manner without contact. The measuring tip preferably has only a few atomic layers in its pointed end. For example, the measuring tip can have a cross section of less than 50 nm 2 , preferably less than 20 nm 2 , particularly preferably less than 10 nm 2 , at its pointed end.

In bevorzugten Ausführungsformen kann die Messspitze als zusätzliche Komponente auf dem Cantilever ausgebildet und mit dem Cantilever verbunden sein. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen liegen der Cantilever und die Messspitze als ein gemeinsames Bauteil vor. Vorzugsweise zeichnet sich die Messspitze hinsichtlich ihrer geometrischen Form dadurch aus, dass die Seitenlinien sich an einem gemeinsamen Punkt treffen, wobei dieser gemeinsame Punkt vorzugsweise das spitze Ende der Messspitze ist. In preferred embodiments, the measuring tip can be designed as an additional component on the cantilever and connected to the cantilever. In further preferred embodiments, the cantilever and the measuring tip are present as a common component. The measuring tip is preferably characterized in terms of its geometric shape in that the side lines meet at a common point, this common point preferably being the pointed end of the measuring tip.

Als Schwingung wird bevorzugt eine wiederholte zeitliche Schwankung von der räumlichen Auslenkung des Cantilevers und damit insbesondere auch der Messspitze von einer Mittelposition bezeichnet. Insbesondere ist die Schwingung im Wesentlichen oder zumindest teilweise periodisch, das bedeutet vor allem zeitlich regelmäßig. Der Cantilever wird durch den Aktuator aktiv zu periodischen Schwingungen angeregt, wobei zur Detektion akustischer Signale die Messspitze kontaktlos schwingend an die Mikrofonmembran geführt wird. Die Schwingung des Cantilevers bzw. der Messspitze erfolgt hiermit bevorzugt unabhängig von den Bewegungen der Membran, wobei die Messspitze jedoch periodisch im Sinne eines tapping an die Membran herangeführt wird, ohne diese zu berühren. Eine kontaktlose Schwingung meint mithin bevorzugt, dass der Cantilever derart schwingt, dass die Messspitze während der Schwingung die Mikrofonmembran nicht berührt. Insbesondere wird auch eine Berührung zwischen der Messspitze und der Mikrofonmembran vermieden, wenn die Mikrofonmembran durch das Auftreffen von Schallwellen in Schwingungen versetzt wird. Insbesondere wird ein Kontakt zwischen der Mikrofonmembran und dem Cantilever vermieden, um für den Erhalt eines Tunnelstroms zu sorgen und vorzugsweise einen ohmschen Strom zu vermeiden. Ein Kontakt zwischen der Messspitze und der Mikrofonmembran im constant height mode kann beispielsweise derart vermieden werden, dass die Amplitude des Cantilevers und damit der Messspitze entsprechend erwartbaren Auslenkungen der Mikrofonmembran angepasst ist. Im constant current mode kann zum Beispiel ein Kontakt zwischen der Messspitze und Mikrofonmembran vermieden werden, indem deren Abstand zueinander durch einen geschlossenen Regelkreis reguliert wird, um einen konstanten Tunnelstrom beizubehalten. A repeated fluctuation over time in the spatial deflection of the cantilever and thus in particular also of the measuring tip from a central position is preferably referred to as oscillation. In particular, the oscillation is essentially or at least partially periodic, which means above all that it is regular in terms of time. The cantilever is actively stimulated by the actuator to oscillate periodically, with the measuring tip being guided to the microphone membrane in a non-contact oscillating manner to detect acoustic signals. The vibration of the cantilever or the measuring tip is preferably carried out independently of the movements of the membrane, with the measuring tip being brought up to the membrane periodically in the sense of a tapping, without touching it. A contactless oscillation therefore preferably means that the cantilever oscillates in such a way that the measuring tip does not touch the microphone membrane during the oscillation. In particular, contact between the measuring tip and the microphone membrane is also avoided if the microphone membrane is caused to vibrate by the impact of sound waves. In particular, contact between the microphone membrane and the cantilever is avoided in order to ensure that a tunnel current is obtained and preferably to avoid a resistive current. Contact between the measuring tip and the microphone membrane in the constant height mode can be avoided, for example, in such a way that the amplitude of the cantilever and thus the measuring tip is adapted to the expected deflections of the microphone membrane. In the constant current mode, for example, contact between the measuring tip and the microphone membrane can be avoided by regulating their distance from one another using a closed loop control system in order to maintain a constant tunnel current.

Periodische Schwingungen, insbesondere über mehrere Perioden hinweg betrachtet, können vorzugsweise durch die Schwingungsmode der Schwingung beschrieben werden. Die Schwingungsmode ist vorzugsweise eine Form der Beschreibung bestimmter zeitlich stationärer Eigenschaften einer Schwingung. Verschiedene Schwingungsmoden unterscheiden sich insbesondere in der räumlichen Verteilung der Schwingungsintensität, wobei die Form der Schwingungsmoden vorzugsweise durch Randbedingungen bestimmt wird, unter denen sich die Schwingung ausbreitet. Diese Randbedingungen können z. B. durch das Material, die Abmessungen und/oder die Lagerung des Cantilevers sowie bevorzugt mindestens eines auf den Cantilever einwirkenden Kraftvektors gegeben sein. Die Schwingfähigkeit des Cantilevers bedeutet dabei insbesondere, dass der Cantilever durch einen geeigneten Antrieb in Form eines Aktuators zu einer mechanischen Schwingung über längere Zeit angeregt werden kann, ohne dass es zu strukturellen Veränderungen (Beschädigungen) kommt. Periodic oscillations, in particular viewed over a number of periods, can preferably be described by the oscillation mode of the oscillation. The vibration mode is preferably a form of description of certain temporally stationary properties of a vibration. Different vibration modes differ in particular in the spatial distribution of the vibration intensity, with the form of the vibration modes preferably being determined by boundary conditions under which the vibration propagates. These boundary conditions can B. by the material that Dimensions and / or the storage of the cantilever and preferably at least one force vector acting on the cantilever be given. The ability of the cantilever to oscillate means in particular that the cantilever can be excited to mechanically oscillate over a longer period of time by a suitable drive in the form of an actuator, without structural changes (damage) occurring.

Bei einem schwingenden Cantilever kann es z. B. mehrere Biegeschwingungsmoden geben, bei der sich der Cantilever entlang einer Vorzugsrichtung, z. B. senkrecht zu einer Ebene der Aufhängung des Cantilevers, durchbiegt, die sich in insbesondere in der Schwingungsfrequenz, der maximalen Schwingungsamplitude sowie in dessen räumlichem Auftreten unterscheiden können. Dies korrespondiert insbesondere mit der Schwingung der Messspitze. Eine Biegeschwingungsmode ist dabei insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingung einen dynamischen Biegeprozess in Richtung im Wesentlichen einer Normalen zu einer Hauptebene des Cantilevers beschreibt. Vorzugsweise wird die Messspitze, die sich bevorzugt am freien Ende befindet, durch die Schwingung periodisch kontaktlos zur Mikrofonmembran geführt, sodass ein Tunnelstrom zwischen der Mikrofonmembran und der Messspitze resultiert.With an oscillating cantilever it can e.g. B. give several bending vibration modes, in which the cantilever moves along a preferred direction, z. B. perpendicular to a plane of the suspension of the cantilever, which can differ in particular in the vibration frequency, the maximum vibration amplitude and its spatial occurrence. This corresponds in particular to the vibration of the measuring tip. A bending vibration mode is characterized in particular in that the vibration describes a dynamic bending process in the direction essentially of a normal to a main plane of the cantilever. Preferably, the measuring tip, which is preferably located at the free end, is periodically guided to the microphone membrane without contact by the vibration, so that a tunnel current results between the microphone membrane and the measuring tip.

Dabei ist bevorzugt neben dem Cantilever auch der Aktuator zur Anregung solcher Schwingungen geeignet sein. Insbesondere ist die elektronische Schaltung mit dem Aktuator derart wirkverbunden, dass der Aktuator die Funktion einer aktiven Anregung des Cantilevers erfüllt. Dabei ist bevorzugt mit der aktiven Anregung des Cantilevers eine aktive Schwingungsanregung des Cantilevers gemeint. Insbesondere ist es bevorzugt, dass der Cantilever durch den Aktuator eine erzwungene Schwingung durchführt. In this case, in addition to the cantilever, the actuator is preferably also suitable for exciting such oscillations. In particular, the electronic circuit is operatively connected to the actuator in such a way that the actuator fulfills the function of actively exciting the cantilever. Active excitation of the cantilever preferably means active vibration excitation of the cantilever. In particular, it is preferable that the cantilever performs forced vibration by the actuator.

Der Aktuator bezeichnet eine Komponente, die ein elektrisches Signal, bevorzugt ausgehend von der elektronischen Schaltung, in eine mechanische Bewegung und/oder eine Veränderung einer mechanischen Größe umsetzt. Insbesondere greift der Aktuator aktiv darin ein, den Cantilever in Schwingungen zu versetzen. Der Aktuator muss geeignet sein, eine von ihm generierte Kraft auf den Cantilever zu übertragen, z. B. indem er mit dem Cantilever in einer Art in Verbindung steht, welche eine Kraftübertragung ermöglicht. The actuator designates a component that converts an electrical signal, preferably originating from the electronic circuit, into a mechanical movement and/or a change in a mechanical variable. In particular, the actuator actively engages in causing the cantilever to oscillate. The actuator must be suitable for transferring a force it generates to the cantilever, e.g. B. by being connected to the cantilever in a way that enables power transmission.

Vorzugsweise kann der Cantilever auch den Aktuator zumindest teilweise umfassen. Dabei muss die Kraft selber geeignet sein, die Schwingungen auszulösen, was insbesondere bedeutet, dass die Kraft periodisch ist und vorzugsweise im Wesentlichen die Frequenz der zu erzeugenden Schwingungen des Cantilevers autweist und geeignet ist, den Cantilever und damit auch die Messspitze in Schwingungen zu versetzen, vorzugsweise in einer Schwingungsmode. Preferably, the cantilever can also at least partially encompass the actuator. The force itself must be suitable for triggering the oscillations, which means in particular that the force is periodic and preferably essentially has the frequency of the oscillations of the cantilever to be generated and is suitable for causing the cantilever and thus also the measuring tip to oscillate, preferably in a vibrational mode.

Der Tunnelstrom bezeichnet bevorzugt einen elektrischen Strom, der zwischen der Mikrofonmembran und der Messspitze fließt, obwohl sich diese nicht mechanisch berühren. Anders ausgedrückt, ist mit dem Tunnelstrom ein elektrischer Strom gemeint, der trotz einer Barriere zwischen Mikrofonmembran und Messspitze fließt, wobei mit der Barriere insbesondere eine Potentialbarriere gemeint ist, die durch die Lücke durch eine nicht vorliegende Berührung zwischen der Mikrofonmembran und der Messspitze resultiert. Vorzugsweise ist der Tunnelstrom im erfindungsgemäßen Kontext die Messgröße, die eine Detektion des von den Schallwellen abhängigen Schwingungsverhaltens der Mikrofonmembran erlaubt. Bevorzugt ist es mit dem Tunnelstrom möglich, vorteilhafterweise verschiedene Schallgrößen der Schallwellen zu messen, die die Mikrofonmembran zu Schwingungen anregen. Dabei können Schallgrößen wie die Schallauslenkung, der Schalldruck, der Schalldruckpegel, die Schallenergiedichte, die Schallenergie, der Schallfluss, die Schallgeschwindigkeit, die Schallimpedanz, die Schallintensität, die Schallleistung, die Schallschnelle, die Schallamplitude und/oder der Schallstrahlungsdruck mithilfe der Messung des Tunnelstroms bestimmt werden. The tunnel current preferably refers to an electrical current that flows between the microphone membrane and the measuring tip, although they do not touch mechanically. In other words, the tunnel current means an electric current that flows despite a barrier between the microphone membrane and the measuring tip, the barrier meaning in particular a potential barrier that results from the gap caused by a non-existent contact between the microphone membrane and the measuring tip. In the context of the invention, the tunnel current is preferably the measured variable that allows detection of the vibration behavior of the microphone membrane that is dependent on the sound waves. It is preferably possible with the tunnel current to advantageously measure different sound quantities of the sound waves, which stimulate the microphone membrane to vibrate. Sound variables such as sound deflection, sound pressure, sound pressure level, sound energy density, sound energy, sound flow, sound velocity, sound impedance, sound intensity, sound power, sound velocity, sound amplitude and/or sound radiation pressure can be determined by measuring the tunnel current become.

Der Tunnelstrom begründet sich mit dem Tunneleffekt, der aus der Quantenmechanik oder Quantenphysik bekannt ist, somit ein quantenmechanischer oder quantenphysikalischer Effekt und mit Gesetzmäßigkeiten der klassischen Physik nicht zu erklären ist. Nach den Gesetzen der klassischen Physik liegt eine Potentialbarriere, d. h. Energiebarriere, zwischen der Messspitze und der Mikrofonmembran vor, die einen Übergang von Ladungsträgern, insbesondere Elektronen, verbietet. Die Potentialbarriere ist insbesondere mit der Austrittsarbeit verbunden.The tunnel current is based on the tunnel effect, which is known from quantum mechanics or quantum physics, and is therefore a quantum mechanical or quantum physical effect and cannot be explained with the laws of classical physics. According to the laws of classical physics, a potential barrier lies, i. H. Energy barrier between the measuring tip and the microphone membrane, which prohibits the transfer of charge carriers, especially electrons. The potential barrier is particularly related to the work function.

Aus quantenphysikalischer Sicht wird die zeitliche Veränderung des nichtrelativistischen Systems durch die Schrödingergleichung beschrieben. Nichtrelativistisch meint insbesondere, dass Effekte der Relativitätstheorie hierbei außer Acht gelassen werden können. Die Schrödingergleichung ist eine partielle Differentialgleichung, deren Lösung die Wellenfunktion ist, die wiederrum den Zustand von Teilchen beschreibt, insbesondere deren Aufenthaltsort. Die Wellenfunktion ist auch im „verbotenen“ Bereich, also innerhalb und/oder jenseits der Potentialbarriere, nirgends gleich Null, sondern klingt dort mit zunehmender Eindringtiefe exponentiell ab. Auch am Ende des verbotenen Bereiches ist ihr Wert also nicht Null. Da das Betragsquadrat der Wellenfunktion als Wahrscheinlichkeitsdichte für den Ort des Teilchens interpretiert wird, gibt es eine von Null verschiedene Wahrscheinlichkeit für das Teilchen, auf der anderen Seite der Potentialbarriere zu erscheinen. Da dies ein quantenmechanischer Effekt ist, wird der Tunneleffekt auch als quantenphysikalischer oder quantenmechanischer Tunneleffekt bezeichnet. From the point of view of quantum physics, the temporal change of the non-relativistic system is described by the Schrödinger equation. In particular, non-relativistic means that effects of the theory of relativity can be ignored. The Schrödinger equation is a partial differential equation whose solution is the wave function, which in turn describes the state of particles, in particular their location. Even in the "forbidden" range, i.e. inside and/or beyond the potential barrier, the wave function is never equal to zero, but decays exponentially there with increasing penetration depth. Even at the end of the forbidden range, their value is not zero. Since the squared magnitude of the wave function is interpreted as the probability density for the location of the particle, there is a non-zero probability for the particle to appear on the other side of the potential barrier. Since this is a quantum mechanical effect, the tunnel effect is also referred to as a quantum physical or quantum mechanical tunnel effect.

Zur Nutzung des quantenmechanischen Tunneleffektes zur Erhaltung des Tunnelstroms wird bevorzugt eine elektrische Spannung angelegt, die von einigen mV (Millivolt) bis zu einigen V (Volt) reichen kann. Bevorzugt befindet sich die Messspitze sich während der kontaktlosen Schwingung zur Mikrofonmembran in einem Abstand im Angstrom-Bereich (10'1° m (Meter)) zur Mikrofonmembran. Durch die angelegte Spannung und den geringen Abstand wird fließt ein Tunnelstrom zwischen der Mikrofonmembran und der Messspitze. Der Tunnelstrom ist im Wesentlichen abhängig von dem Abstand, der angelegten Spannung und der Austrittsarbeit der eingesetzten Materialien. In order to use the quantum-mechanical tunnel effect to maintain the tunnel current, an electrical voltage is preferably applied which can range from a few mV (millivolts) to a few V (volts). The measuring tip is preferably located at a distance in the angstrom range ( 10′1 ° m (meter)) from the microphone membrane during the contactless oscillation to the microphone membrane. Due to the voltage applied and the small distance, a tunnel current flows between the microphone membrane and the measuring tip. The tunnel current essentially depends on the distance, the applied voltage and the work function of the materials used.

Der messbare Tunnelstrom geht in der Regel mit niedrigen Stromstärken einher, die typischerweise von einigen pA (Pikoampere) bis zu wenigen nA (Nanoamperebereich) und manchmal sogar auch bis zu wenigen mA (Milliamperebereich) reichen. Daher sind selbst geringe Abweichungen der Stromstärke der Tunnelstroms als Messsignal besonders deutlich zu erfassen, da der Tunnelstrom exponentiell vom Abstand abhängt und kleinste Veränderungen des Abstandes zu einer beträchtlichen Änderung des Tunnelstroms als Messsignal führen. The measurable tunneling current is usually accompanied by low currents, which typically range from a few pA (picoamperes) to a few nA (nanoamperes) and sometimes even a few mA (milliamperes). Therefore, even small deviations in the current strength of the tunnel current can be detected particularly clearly as a measurement signal, since the tunnel current depends exponentially on the distance and the smallest changes in the distance lead to a considerable change in the tunnel current as a measurement signal.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das MEMS-Mikrofon dadurch gekennzeichnet, dass der Cantilever Schwingungen ausführt mit einer Frequenz von mehr als 20 kHz (Kilohertz), bevorzugt mehr als 50 kHz, besonders bevorzugt mehr als 100 kHz. Die angegebenen Frequenzen der Schwingung des Cantilevers sind bevorzugt um ein Vielfaches höher als die erwartbaren Schwingungen der Mikrofonmembran, die durch das Auftreffen von Schallwellen resultieren. Die Frequenz der Schwingung des Cantilevers ist bevorzugt um einen Faktor von mindestens 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 50, 100, 200, 500, 1000 oder mehr höher als mögliche Frequenzen der Mikrofonmembran. In a further preferred embodiment, the MEMS microphone is characterized in that the cantilever oscillates at a frequency of more than 20 kHz (kilohertz), preferably more than 50 kHz, particularly preferably more than 100 kHz. The stated frequencies of the vibration of the cantilever are preferably many times higher than the expected vibrations of the microphone membrane, which result from the impingement of sound waves. The frequency of the oscillation of the cantilever is preferably higher than possible frequencies of the microphone membrane by a factor of at least 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 50, 100, 200, 500, 1000 or more.

Vorteilhafterweise ist das Schwingungsverhalten des Cantilevers durch die angegebenen Frequenzen seiner Schwingung unabhängig von der Schwingung der Mikrofonmembran. Dies führt vorteilhaft dazu, dass die Mikrofonmembran in einem weiten Frequenzbereich schwingen kann und weiterhin eine zuverlässige Detektion eines akustischen Signals durch den Tunnelstrom gegeben ist. Da es bevorzugt ist, dass der Cantilever eine vielfach höhere Schwingung als die der Mikrofonmembran ausführt, ist dauerhaft, zuverlässig und mit hoher Genauigkeit die Messung von Schallereignissen möglich. Die angegebenen Frequenzen haben sich dabei als besonders effizient erwiesen, um einfach und effektiv einen Tunnelstrom zwischen der Mikrofonmembran und der Messspitze zu generieren und zu messen. Vorteilhafterweise kann mittels des erfindungsgemäßen MEMS-Mikrofons ein großer Frequenzbereich der Mikrofonmembran präzise erfasst werden, insbesondere von sehr niedrige Frequenzen (<10Hz) bis hin zu hohen Frequenzen im kHz oder sogar MHz-Bereich. Advantageously, the vibration behavior of the cantilever is independent of the vibration of the microphone membrane due to the specified frequencies of its vibration. This has the advantageous result that the microphone membrane can oscillate in a wide frequency range and, furthermore, a reliable detection of an acoustic signal is provided by the tunnel current. Since it is preferred that the cantilever oscillates at a rate that is many times higher than that of the microphone membrane, it is possible to measure sound events permanently, reliably and with high accuracy. The specified frequencies have proven to be particularly efficient in order to easily and effectively generate and measure a tunnel current between the microphone membrane and the measuring tip. Advantageously, the MEMS microphone according to the invention can be used to precisely record a large frequency range of the microphone membrane, in particular from very low frequencies (<10 Hz) to high frequencies in the kHz or even MHz range.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das MEMS-Mikrofon dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung dazu eingerichtet ist, dass eine Amplitude und eine Mittelposition einer Schwingung der Messpitze und/oder des Cantilevers konstant gehalten wird, wobei eine Änderung einer Amplitude des Tunnelstroms zwischen der Mikrofonmembran und der Messspitze gemessen wird, wobei die Amplitude des Tunnelstroms von dem Schwingungsverhaltens der Mikrofonmembran abhängt. In a further preferred embodiment, the MEMS microphone is characterized in that the electronic circuit is set up to keep an amplitude and a center position of an oscillation of the measuring tip and/or the cantilever constant, with a change in an amplitude of the tunnel current between the microphone membrane and the measuring tip is measured, with the amplitude of the tunnel current depending on the vibration behavior of the microphone membrane.

Die Ausführungsform in dem zuletzt offenbarten Absatz entspricht in Analogie zur Rastertunnelmikroskopie dem sogenannten Modus konstanter Höhe (englisch contant height mode). Dabei folgt beim Rastertunnelmikroskop die Messspitze einem zuvor vorgegebenes Höhenprofil, ohne das der Abstand zwischen einer zu untersuchenden Probe und der Messspitze des Rastertunnelmikroskops nachreguliert werden muss. By analogy with scanning tunneling microscopy, the embodiment in the last disclosed paragraph corresponds to the so-called constant height mode. In the case of the scanning tunneling microscope, the measuring tip follows a previously specified height profile without the distance between a sample to be examined and the measuring tip of the scanning tunneling microscope having to be readjusted.

Das Prinzip des Modus konstanter Höhe kann vorteilhaft für eine erfindungsgemäße Detektion von Schallereignissen durch einen Tunnelstrom auf das MEMS-Mikrofon übertragen werden. Hierbei ist bevorzugt die elektronische Schaltung dazu eingerichtet, dass das die Amplitude und die Mittelposition des Cantilevers und/oder der Messspitze sich nicht ändert. Eine Mittelposition des Cantilevers und/oder der Messspitze bezeichnet bevorzugt eine räumliche Position, die als Bezugsstelle für die Amplitude der Schwingung dient. Die Amplitude der Schwingung ist vorzugsweise die maximale Auslenkung des Cantilevers und/oder die maximale Verschiebung der Messspitze um die Mittelposition. Die Amplitude, insbesondere die maximale Auslenkung, kann bevorzugt durch eine Größe mit der Dimension eines Abstandes angegeben werden. Vorzugsweise wird die Amplitude derart eingestellt, dass im Hinblick auf erwartbare Auslenkungen der Mikrofonmembran die Vermeidung eines Kontaktes zwischen der Mikrofonmembran und der Messspitze vermieden wird. In bevorzugten Ausführungsformen führt der Cantilever und damit insbesondere auch die Messspitze Schwingungen aus, die Auslenkungen im Bereich von pm (Pikometer) bis zu nm (Nanometer) und pm (Mikrometer) ausüben. The principle of the constant height mode can advantageously be transferred to the MEMS microphone for a detection of sound events according to the invention by a tunnel current. In this case, the electronic circuit is preferably set up in such a way that the amplitude and the center position of the cantilever and/or the measuring tip do not change. A center position of the cantilever and/or the measuring tip preferably designates a spatial position that serves as a reference point for the amplitude of the oscillation. The amplitude of the oscillation is preferably the maximum deflection of the cantilever and/or the maximum displacement of the measuring tip around the middle position. The amplitude, in particular the maximum deflection, can preferably be specified by a variable with the dimension of a distance. The amplitude is preferably set in such a way that, with regard to the expected deflections of the microphone membrane, contact between the microphone membrane and the measuring tip is avoided. In preferred embodiments, the cantilever and thus in particular also the measuring tip oscillates, which cause deflections in the range from pm (picometer) to nm (nanometer) and pm (micrometer).

Zur Veranschaulichung des Messprinzips werden zwei Fälle betrachtet, nämlich einen theoretischen Fall, in dem die Mikrofonmembran nicht durch Schallwellen zu einer Schwingung angeregt wird, sondern im Wesentlichen ortsfest ist, und den tatsächlichen Fall einer Schwingungsanregung der Mikrofonmembran durch Schallwellen. To illustrate the measurement principle, two cases are considered, namely a theoretical case in which the microphone membrane is not excited to vibrate by sound waves but is essentially stationary, and the actual case in which the microphone membrane is excited to vibrate by sound waves.

Im theoretischen Fall, in dem die Mikrofonmembran im Wesentlichen keine Schwingungen vollführt, gibt es einen festen Abstand zwischen der Mikrofonmembran und der Mittelposition des Cantilevers und/oder der Messspitze, sofern der Cantilever und damit auch die Messspitze Schwingungen mit einer konstanten Amplitude um eine gleichbleibende Mittelposition ausführt. Damit weist auch der Tunnelstrom eine gleichmäßige Amplitude auf, da sich der Abstand zwischen der Mikrofonmembran und der Messspitze lediglich im Rahmen der Schwingung des Cantilevers ändert. In the theoretical case, in which the microphone membrane essentially does not vibrate, there is a fixed distance between the microphone membrane and the center position of the cantilever and/or the measuring tip, provided that the cantilever and thus also the measuring tip oscillate with a constant amplitude around a constant center position executes This means that the tunnel current also has a uniform amplitude, since the distance between the microphone membrane and the measuring tip only changes as part of the oscillation of the cantilever.

Durch Schallwellen, welche durch die Schalleintrittsöffnung auf die Mikrofonmembran treffen, wird diese in Schwingungen versetzen. Durch die Schwingungen der Mikrofonmembran gibt es nun keinen festen Abstand zwischen der Mittelposition des Cantilevers und/oder der Messspitze und der Mikrofonmembran. Insbesondere verändert sich der Abstand zwischen der Mikrofonmembran und der Messspitze in Abhängigkeit von dem Schwingungsverhalten der Mikrofonmembran. Dabei gilt, je höher der Schalldruckpegel ist, desto stärker wird die Mikrofonmembran ausgelenkt. Je stärker die Mikrofonmembran ausgelenkt wird, desto geringer ist wiederrum der Abstand zwischen der Messspitze und der Mikrofonmembran, sodass sich der messbar erhöht Tunnelstrom. Sound waves that hit the microphone membrane through the sound inlet opening cause it to vibrate. Due to the vibrations of the microphone membrane, there is now no fixed distance between the center position of the cantilever and/or the measuring tip and the microphone membrane. In particular, the distance between the microphone membrane and the measuring tip changes depending on the vibration behavior of the microphone membrane. The higher the sound pressure level, the more the microphone membrane is deflected. The more the microphone membrane is deflected, the smaller the distance between the measuring tip and the microphone membrane, so that the tunnel current increases measurably.

Umgekehrt gilt, je geringer der Schalldruckpegel auftreffender Schallwellen ist, desto schwächer ist die Auslenkung der Mikrofonmembran und umso niedriger ist auch der Tunnelstrom. Conversely, the lower the sound pressure level of impinging sound waves, the weaker the deflection of the microphone membrane and the lower the tunnel current.

Die Änderungen der Signalstärke des Tunnelstroms reflektieren somit unmittelbar das von auftreffenden Schallwellen abhängige Schwingungsverhalten der Mikrofonmembran. The changes in the signal strength of the tunnel current thus directly reflect the vibration behavior of the microphone diaphragm, which is dependent on the sound waves that hit it.

Vorteilhafterweise ist das Messprinzip einer konstanten Höhe unter Einhalten einer konstanten Amplitude und Mittelposition der Schwingung der Cantilevers und/oder der Messspitze besonders einfach einzurichten und erlaubt auf robuste Weise eine hochfrequente Schwingungsanregung des Cantilevers. Advantageously, the measuring principle of a constant height while maintaining a constant amplitude and center position of the oscillation of the cantilever and/or the measuring tip is particularly easy to set up and allows high-frequency oscillation excitation of the cantilever in a robust way.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das MEMS-Mikrofon dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung dazu eingerichtet ist, dass eine Amplitude des Tunnelstroms zwischen der Mikrofonmembran und der Messspitze konstant gehalten wird, wobei eine Schwingung des Cantilevers und/oder der Messspitze reguliert wird, um einen Abstand zwischen der Mikrofonmembran und einer Mittelposition der Messspitze konstant zu halten. In a further preferred embodiment, the MEMS microphone is characterized in that the electronic circuit is set up such that an amplitude of the tunnel current between the microphone membrane and the measuring tip is kept constant, with an oscillation of the cantilever and/or the measuring tip being regulated in order to to keep constant a distance between the microphone membrane and a center position of the measuring tip.

Die Ausführungsform in dem zuletzt offenbarten Absatz entspricht in Analogie zur Rastertunnelmikroskopie dem sogenannten Modus konstanten Tunnelstroms (englisch contant current mode). Dabei wird die Höhe der Messspitze fortlaufend soweit verändert, dass der Tunnelstrom konstant bleibt. Dies geschieht beim Rastertunnelmikroskop über einen geschlossenen Regelkreis zur Regelung des Abstandes zwischen der Messspitze und der zu untersuchenden Probe. By analogy with scanning tunneling microscopy, the embodiment in the last disclosed paragraph corresponds to the so-called constant current mode. The height of the measuring tip is continuously changed to such an extent that the tunnel current remains constant. With the scanning tunneling microscope, this is done via a closed control circuit for controlling the distance between the measuring tip and the sample to be examined.

Das Prinzip des Modus eines konstanten Tunnelstroms aus der Rastertunnelmikroskopie kann vorteilhaft auf eine erfindungsgemäße Detektion von Schallereignissen durch einen Tunnelstrom übertragen werden. Dabei ist es bevorzugt, dass die elektronische Schaltung dazu eingerichtet ist, die Amplitude des Tunnelstrom zwischen der Mikrofonmembran und der Messspitze konstant zu halten. Dazu wird die Schwingung des Cantilevers und/oder der Messspitze derart reguliert, dass der Abstand zwischen einer Mikrofonmembran und einer Mittelposition des Messspitze kontant bleibt. The principle of the mode of a constant tunneling current from scanning tunneling microscopy can advantageously be transferred to a detection of sound events by a tunneling current according to the invention. It is preferred that the electronic circuit is set up to keep the amplitude of the tunnel current between the microphone membrane and the measuring tip constant. For this purpose, the vibration of the cantilever and/or the measuring tip is regulated in such a way that the distance between a microphone membrane and a middle position of the measuring tip remains constant.

Die Mittelposition der Messspitze bezeichnet insbesondere die Bezugsstelle für die Amplitude der Schwingung der Messspitze. Die Mittelposition des Cantilevers muss dabei nicht mit der Mittelposition der Messspitze identisch sein. Die Messspitze befindet sich bevorzugt im Wesentlichen am freien Ende des Cantilevers und weist auch eine gewisse räumliche Ausdehnung auf. Somit ist mit der Mittelposition der Messspitze diejenige Position gemeint, mit der die Amplitude der Schwingung der Messspitze beschrieben werden kann. Da der Cantilever die Messspitze umfasst und schwingt, weist die Messspitze ein gleiches Schwingungsmuster wie der Cantilever auf, d. h. der Verlauf der Schwingung ist im Wesentlichen gleich. The middle position of the measuring tip designates in particular the reference point for the amplitude of the oscillation of the measuring tip. The center position of the cantilever does not have to be identical to the center position of the measuring tip. The measuring tip is preferably located essentially at the free end of the cantilever and also has a certain spatial extent. Thus, the middle position of the measuring tip means that position with which the amplitude of the oscillation of the measuring tip can be described. Because the cantilever grips the probe tip and oscillates, the probe tip vibrates in the same pattern as the cantilever, i. H. the course of the oscillation is essentially the same.

Dabei ist es bevorzugt, dass die Amplitude des Tunnelstroms konstant bleibt, indem der Abstand zwischen der Mittelposition der Messspitze und der Mikrofonmembran konstant gehalten wird. Vorzugsweise erfolgt dies durch einen geschlossenen Regelkreis. Bevorzugt wird durch den geschlossenen Regelkreis der Tunnelstrom bei einer Schwingung, insbesondere einer Auslenkung, der Mikrofonmembran auf eine vorgegebene Amplitude angepasst. Vorzugsweise erfolgt dies durch eine Anpassung des Abstandes der Mittel position der Messspitze und den Auslenkungen der Mikrofonmembran. Dabei ist der geschlossene Regelkreis eine Schaltung, die beispielsweise durch die elektronische Schaltung des MEMS-Mikrofons konfiguriert sein kann. Der geschlossene Regelkreis führt dabei die Aufgaben Messen, Vergleichen und Anpassen aus. Damit wird durch den geschlossenen Regelkreis der Tunnelstrom gemessen, die Amplitude des gemessenen Tunnelstroms mit einem vorgegebenen Wert verglichen und bei einer Abweichung entsprechend angepasst. Vorzugsweise erfolgt eine Anpassung der Amplitude des Tunnelstroms durch eine Anpassung der Mittelposition der Messspitze. Dazu ist es bevorzugt, dass der Cantilever (umfassend der Messspitze) eine Translationsbewegung ausführt, um die Abstandsanpassung zwischen Messspitze und Mikrofonmembran vorzunehmen. Bevorzugt erfolgt eine solche Translationsbewegung des Cantilevers durch einen weiteren Aktuator. In bevorzugten Ausführungsformen kann der weitere Aktuator zur Durchführung der Translationsbewegung des Cantilevers ein MEMS-basierter Antrieb sein. Beispielsweise kann ein MEMS-Antrieb ein Mikroaktor sein, die durch Koppelelemente mit dem Cantilever verbunden ist.It is preferred that the amplitude of the tunneling current remains constant by keeping the distance between the center position of the measuring tip and the microphone membrane constant. This is preferably done by means of a closed control loop. The tunnel current is preferably adjusted to a predetermined amplitude by the closed control circuit in the event of an oscillation, in particular a deflection, of the microphone diaphragm. This is preferably done by adjusting the distance between the center position of the measuring tip and the deflection of the microphone membrane. In this case, the closed-loop control circuit is a circuit that can be configured, for example, by the electronic circuitry of the MEMS microphone. The closed control loop performs the tasks of measuring, comparing and adjusting. The tunnel current is thus measured by the closed control circuit, the amplitude of the measured tunnel current is compared with a specified value and adjusted accordingly if there is a deviation. The amplitude of the tunnel current is preferably adjusted by adjusting the center position of the measuring tip. For this purpose, it is preferred that the cantilever (including the measuring tip) performs a translational movement in order to adjust the distance between the measuring tip and the microphone membrane. Such a translational movement of the cantilever is preferably effected by a further actuator. In preferred embodiments, the additional actuator for performing the translational movement of the cantilever can be a MEMS-based drive. For example, a MEMS drive can be a micro-actuator that is connected to the cantilever by coupling elements.

Zur Veranschaulichung des Messsprinzips werden, wie weiter oben auch, zwei Fälle betrachtet, nämlich ein idealisierter Fall, in dem die Mikrofonmembran im Wesentlichen keine Schwingungen ausführt und ein tatsächlicher Fall, in dem die Mikrofonmembran durch Schallwellen zu Schwingungen angeregt wird. Im theoretischen Fall, in dem die Mikrofonmembran im Wesentlichen keine Schwingungen ausführt, ändert sich der Abstand zwischen der Mittel position der Messspitze und der Mikrofonmembran nicht. Der Tunnelstrom weist eine gleichbleibende Amplitude auf. Durch den geschlossenen Regelkreis wird erkannt, dass es nicht notwendig ist, den Abstand zwischen der Mittelposition der Messspitze und der Mikrofonmembran anzupassen, da es keine Abweichung gibt von einer vorgegebenen Amplitude des Tunnelstroms. As above, two cases are considered to illustrate the measurement principle, namely an idealized case in which the microphone diaphragm essentially does not oscillate and an actual case in which the microphone diaphragm is excited to oscillate by sound waves. In the theoretical case, in which the microphone membrane essentially does not vibrate, the distance between the middle position of the measuring tip and the microphone membrane does not change. The tunnel current has a constant amplitude. The closed-loop control recognizes that it is not necessary to adjust the distance between the center position of the measuring tip and the microphone membrane, since there is no deviation from a predetermined amplitude of the tunneling current.

Sofern Schallwellen durch die Schalleintrittsöffnung auf die Mikrofonmembran treffen, wird diese in Schwingungen versetzt. Durch die Schwingungen der Mikrofonmembran wird zunächst der Abstand zwischen der Mikrofonmembran und der Mittelposition der Messspitze verändert. Dies wirkt sich auch auf den Tunnelstrom aus, insbesondere weicht die Amplitude des Tunnelstroms von einem vorgegebenen Wert ab. Durch den geschlossenen Regelkreis wird eine Veränderung der Amplitude des Tunnelstroms erkannt. Insbesondere kann durch den geschlossenen Regelkreis ein Vergleich zwischen dem vorgegebenen und dem gemessenen Tunnelstrom vorgenommen werden, beispielsweise durch die Bildung einer Differenz und/oder eines Verhältnisses. Um daraufhin den Tunnelstrom auf den vorgegebenen Wert zu rückzu regeln, wird der Abstand der Mittelposition der Messspitze insofern angepasst, dass die vorgegebene Amplitude des Tunnelstroms wieder erreicht wird. If sound waves hit the microphone membrane through the sound inlet opening, it is caused to vibrate. The vibrations of the microphone membrane initially change the distance between the microphone membrane and the middle position of the measuring tip. This also affects the tunnel current, in particular the amplitude of the tunnel current deviates from a predetermined value. A change in the amplitude of the tunnel current is detected by the closed control circuit. In particular, a comparison can be made between the specified and the measured tunnel current through the closed control loop, for example by forming a difference and/or a ratio. In order to then regulate the tunnel current back to the specified value, the distance between the center position of the measuring tip is adjusted in such a way that the specified amplitude of the tunnel current is reached again.

Dabei gilt, je höher der Schalldruckpegel ist, desto stärker wird auch die Mikrofonmembran ausgelenkt. Je stärker die Mikrofonmembran ausgelenkt wird, desto stärker verändert sich der Abstand zwischen der Mittelposition der Messspitze und der Mikrofonmembran, welcher anhand der Regelgröße eines konstant zu haltenden Tunnelstroms angepasst werden muss. The higher the sound pressure level, the more the microphone membrane is deflected. The more the microphone membrane is deflected, the greater the change in the distance between the center position of the measuring tip and the microphone membrane, which must be adjusted using the controlled variable of a tunnel current that is to be kept constant.

Umgekehrt gilt auch, je geringer der Schalldruckpegel der auftreffenden Schallwelle ist, desto schwächer ist auch die Auslenkung der Mikrofonmembran. Je schwächer die Mikrofonmembran ausgelenkt wird, desto geringer verändert sich der Abstand der Mittelposition der Messspitze und der Mikrofonmembran, welcher anhand des gemessenen Tunnelstroms reguliert werden muss.Conversely, the lower the sound pressure level of the incident sound wave, the weaker the deflection of the microphone membrane. The weaker the microphone membrane is deflected, the less the distance between the center position of the measuring tip and the microphone membrane changes, which must be regulated using the measured tunnel current.

Die Regelung des Abstandes anhand der Regelgröße des konstant zu haltenden Tunnelstroms erlaubt vorteilhaft mit besonders hoher Sensitivität und Genauigkeit Schallsignale zu vermessen. Durch einen geschlossen Regelkreis kann zudem eine sehr präzise Nachverfolgung des Schwingverhaltens der Mikrofonmembran erfolgen, welches nicht nur Rückschlüsse auf Frequenz und Schalldruckpegel der Schallsignale, sondern den gesamten zeitlichen Verlauf erfasst. Controlling the distance based on the controlled variable of the tunnel current, which is to be kept constant, advantageously allows sound signals to be measured with particularly high sensitivity and accuracy. A closed control circuit also allows very precise tracking of the vibration behavior of the microphone membrane, which not only allows conclusions to be drawn about the frequency and sound pressure level of the sound signals, but also the entire course over time.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das MEMS-Mikrofon dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung dazu eingerichtet ist, eine Vorspannung an der Mikrofonmembran anzulegen, sodass eine Nullpunktslage und/oder Schwingfähigkeit der Mikrofonmembran reguliert werden kann. In a further preferred embodiment, the MEMS microphone is characterized in that the electronic circuit is set up to apply a bias voltage to the microphone membrane, so that a zero point position and/or the ability to oscillate the microphone membrane can be regulated.

Vorteilhafterweise kann durch das Anlegen einer Vorspannung an der Mikrofonmembran die Sensitivität der Mikrofonmembran reguliert und/oder angepasst werden. Dabei bezeichnet eine Vorspannung im Sinne der Erfindung eine elektrische Spannung, die angelegt wird, sodass die Mikrofonmembran eine Wölbung erlangt, die eine Nullpunktslage der Mikrofonmembran überragt. Die Nullpunktslage der Mikrofonmembran bezeichnet bevorzugt die kräftefreie Ruhepostion der Mikrofonmembran, wenn keine Auslenkung durch Schallwellen erfolgt und keine Vorspannung anliegt. Somit kann durch das Anlegen einer Vorspannung die Positionierung der Mikrofonmembran von der Nullpunktslage abweichen und/oder dazu führen, dass die Mikrofonmembran eine Wölbung aufweist, die von der Nullpunktslage abweicht. Dabei ist es bevorzugt, dass die Vorspannung durch die elektronische Schaltung reguliert werden kann. Advantageously, the sensitivity of the microphone membrane can be regulated and/or adjusted by applying a bias voltage to the microphone membrane. In this case, a bias voltage within the meaning of the invention refers to an electrical voltage that is applied so that the microphone membrane achieves a curvature that protrudes beyond a zero point position of the microphone membrane. The zero point position of the microphone membrane preferably denotes the force-free resting position of the Microphone membrane when there is no deflection by sound waves and no bias is applied. Thus, by applying a bias voltage, the positioning of the microphone membrane can deviate from the zero point position and/or result in the microphone membrane having a curvature that deviates from the zero point position. It is preferred that the bias voltage can be regulated by the electronic circuit.

Vorteilhafterweise erlaubt das Anlegen einer Vorspannung die Sensitivität der Mikrofonmembran zu regulieren. Wird eine Vorspannung angelegt, wirkt sich dies auf die Schwingfähigkeit der Mikrofonmembran aus. Je höher die angelegte Vorspannung ist, desto geringer ist die Schwingfähigkeit der Mikrofonmembran. Je geringer die angelegte Vorspannung ist, desto höher ist die Schwingfähigkeit der Mikrofonmembran. Somit kann insbesondere die Sensitivität der Mikrofonmembran vorteilhafterweise präzise angepasst werden. Advantageously, the application of a bias allows the sensitivity of the microphone membrane to be regulated. If a bias voltage is applied, this affects the vibrating ability of the microphone membrane. The higher the bias voltage applied, the lower the ability of the microphone membrane to oscillate. The lower the applied bias voltage, the higher the ability of the microphone diaphragm to vibrate. In this way, the sensitivity of the microphone membrane in particular can advantageously be precisely adjusted.

Die Sensitivität der Mikrofonmembran bezeichnet vorzugsweise die Fähigkeit, eine Auslenkung zu erfahren, wobei die Auslenkung abhängig ist von den Schalldruckpegeln der durch die Schalleintrittsöffnung eintretenden Schallwellen. The sensitivity of the microphone diaphragm preferably designates the ability to experience a deflection, with the deflection being dependent on the sound pressure levels of the sound waves entering through the sound entry opening.

Die Regulierung der Schwingfähigkeit der Mikrofonmembran ist dahingehend vorteilhaft, dass insbesondere im Hinblick auf die kleinen Abstände beim Auftreten eines Tunnelstroms eine optimale Anpassung des MEMS-Mikrofons auf unterschiedliche Schalldruckpegel gewährleistet werden kann. So weist das erfindungsgemäße MEMS-Mikrofon eine hohe Dynamik auf und eignet sich vorteilhaft für einen breiten Bereich zu messender Schallsignale. Regulating the ability of the microphone membrane to oscillate is advantageous in that, particularly with regard to the small distances when a tunnel current occurs, an optimal adjustment of the MEMS microphone to different sound pressure levels can be ensured. The MEMS microphone according to the invention thus has high dynamics and is advantageously suitable for a wide range of sound signals to be measured.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das MEMS-Mikrofon dadurch gekennzeichnet, dass das MEMS-Mikrofon eine Sensitivität aufweist, welche es erlaubt, Schalldruckwellen mit einem Schalldruckpegel von weniger als 20 dB, besonders bevorzugt weniger als 10 dB, weniger als 5 dB, weniger als 1 dB oder weniger als 0 dB zu messen. In a further preferred embodiment, the MEMS microphone is characterized in that the MEMS microphone has a sensitivity which allows sound pressure waves with a sound pressure level of less than 20 dB, particularly preferably less than 10 dB, less than 5 dB, less than 1 dB or less than 0 dB to measure.

Vorteilhafterweise kann das erfindungsgemäße MEMS-Mikrofon mit äußerster Präzision niedrige Schalldruckpegel, wie eben angegebenen, messen. Der Schalldruckpegel (englisch sound pressure level, abgekürzt mit SPL) ist der dekadische Logarithmus des quadratischen Verhältnisses zwischen dem Effektivwert des gemessenen Schalldrucks und seinem in der Akustik gebräuchlichen Bezugswert von 20 pPa (Mikropascal). Dabei können vorteilhaft Schalldruckpegel mit großem Signal-Rausch-Verhältnis gemessen werden. Advantageously, the MEMS microphone according to the invention can measure low sound pressure levels, as just indicated, with extreme precision. The sound pressure level (English sound pressure level, abbreviated to SPL) is the decadic logarithm of the squared relationship between the effective value of the measured sound pressure and its reference value of 20 pPa (micropascals) commonly used in acoustics. In this way, sound pressure levels with a high signal-to-noise ratio can advantageously be measured.

Es ist weiterhin vorteilhaft, dass durch das erfindungsgemäße kompakte MEMS-Mikrofons Schallereignisse trotz niedrigem Schalldruckpegels mit hoher Auflösung gemessen werden können. Die laterale Auflösung bezeichnet hierbei bevorzugt eine Auflösung quer zum Verlauf eines Messweges mittels Schallwellen. Das Gegenteil der lateralen Auflösung ist die axiale Auflösung entlang des Längsverlaufs des Messweges, d.h. der Strecke des Schalls. It is also advantageous that, despite the low sound pressure level, sound events can be measured with high resolution using the compact MEMS microphone according to the invention. In this case, the lateral resolution preferably designates a resolution perpendicular to the course of a measurement path by means of sound waves. The opposite of the lateral resolution is the axial resolution along the length of the measurement path, i.e. the path of the sound.

Insbesondere ist die laterale Auflösung der Abstand zweier nebeneinander gelegenen Objekte, z. B. zwei Schallquellen, die als zwei Punkte abgebildet werden können. Hierdurch wird es vorteilhafterweise ermöglicht, ein sehr genaues Bild eines Schallfeldes zu erstellen, trotz niedriger Schalldruckpegel. In particular, the lateral resolution is the distance between two adjacent objects, e.g. B. two sound sources that can be mapped as two points. This advantageously makes it possible to create a very precise image of a sound field, despite the low sound pressure level.

Niedrige Schalldruckpegel sind zudem insbesondere relevant im Rahmen der photoakustischen Spektroskopie, sodass das erfindungsgemäße MEMS-Mikrofon vorzugsweise bei photoakustischen Messungen effizient eingesetzt werden kann. Ebenfalls sind weitere vorteilhafte Einsätze des erfindungsgemäßen MEMS-Mikrofons möglich. Geringe Schalldruckpegel können auch durch Maschinen, wie z. B. Beleuchtungsarmaturen, entstehen. Damit eignet sich das erfindungsgemäße MEMS-Mikrofon vorteilhaft zur Überwachung von Geräten, bei denen geringe Schalldruckpegel relevant sind. Vorteilhafterweise kann das MEMS- Mikrofon in einer Vielzahl von möglichen Anwendungen optimal und effizient eingesetzt werden.In addition, low sound pressure levels are particularly relevant in the context of photoacoustic spectroscopy, so that the MEMS microphone according to the invention is preferably used photoacoustic measurements can be used efficiently. Other advantageous uses of the MEMS microphone according to the invention are also possible. Low sound pressure levels can also be caused by machines such as B. lighting fittings arise. The MEMS microphone according to the invention is therefore advantageously suitable for monitoring devices in which low sound pressure levels are relevant. Advantageously, the MEMS microphone can be used optimally and efficiently in a large number of possible applications.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das MEMS-Mikrofon dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung dazu eingerichtet ist, dass der Aktuator die Schwingung des Cantilevers derart reguliert, dass zwischen maximalen Auslenkungen der Messspitze und der schwingfähigen Mikrofonmembran ein Abstand zwischen 0,1 nm und 100 nm vorliegt. Auch Zwischenwerte wie beispielsweise maximale Abstände zwischen 1 nm und 50 nm oder 0,5 nm und 10 nm können bevorzugt. In a further preferred embodiment, the MEMS microphone is characterized in that the electronic circuit is set up so that the actuator regulates the oscillation of the cantilever in such a way that there is a distance of between 0.1 nm and 100 nm is present. Intermediate values such as maximum distances between 1 nm and 50 nm or 0.5 nm and 10 nm can also be preferred.

Der Abstandbereich zwischen der Messspitze und der Mikrofonmembran wird insbesondere durch die Mittelposition der Schwingung des Cantilevers und/oder der Amplitude der Schwingungsanregung reguliert. Der genannte Abstandsbereich hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, um einerseits mittels des Tunnelstroms das Schwingungsverhalten der Membran hochaufgelöst messen zu können und andererseits einen Kontakt zwischen Messspitze und Membran effektiv zu vermeiden. Das erfindungsgemäße MEMS-Mikrofon zeichnet sich mithin durch eine langzeitstabile Messfähigkeit aus. The distance between the measuring tip and the microphone membrane is regulated in particular by the center position of the vibration of the cantilever and/or the amplitude of the vibration excitation. The specified distance range has proven to be particularly advantageous, on the one hand to be able to measure the vibration behavior of the membrane with high resolution using the tunnel current and on the other hand to effectively avoid contact between the measuring tip and the membrane. The MEMS microphone according to the invention is therefore distinguished by a long-term stable measurement capability.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das MEMS-Mikrofon dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator den Cantilever umfassend der Messspitze zu Schwingungen anregt, wobei bevorzugt der Aktuator ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend ein piezoelektrischer Aktuator, ein elektrostatischer Aktuator, ein elektromagnetischer Aktuator, ein magnetostriktiver Aktuator und/oder ein thermischer Aktuator. In a further preferred embodiment, the MEMS microphone is characterized in that the actuator excites the cantilever comprising the measuring tip to oscillate, with the actuator preferably being selected from a group comprising a piezoelectric actuator, an electrostatic actuator, an electromagnetic actuator, a magnetostrictive actuator and/or a thermal actuator.

Die vorstehend genannten Aktuatoren sind dabei besonders gut geeignet für eine Anregung einer großen Zahl schneller Schwingungen und weisen insbesondere aufgrund des kompakten Aufbaus einen geringen Energiebedarf auf. Auch ist die Bandbreite der erzielbaren Schwingungen aufgrund des kompakten Aufbaus und der geringen Trägheiten vorteilhafterweise hoch. The actuators mentioned above are particularly well suited for exciting a large number of rapid oscillations and have a low energy requirement, in particular due to the compact design. The bandwidth of the achievable vibrations is also advantageously high due to the compact design and the low inertia.

Vorzugsweise ist der Aktuator ein MEMS-Aktuator. Ein MEMS-Aktuator ist bevorzugt ein Aktuator, der mithilfe von üblichen Herstellungsmethoden der Mikrosystemtechnik hergestellt wird und des Weiteren Abmessungen in der Größenordnung pm (Mikrometer) aufweist. Ein solcher Aktuator ist besonders kompakt, robust und wartungsarm und lässt sich einfach und kostengünstig herstellen. Insbesondere kann der Cantilever, welcher durch den Aktuator zu Schwingungen angeregt wird, ebenfalls ein MEMS-Element sein. Das heißt bevorzugt, dass der Cantilever und der Aktuator vorzugsweise in einem Herstellungsschritt mit dem MEMS-Aktuator herstellbar und kompakt sind. Es kann dabei wünschenswerterweise in Teilen das gleiche Substrat zur Herstellung verwendet werden. Dies vereinfacht und verbilligt die Herstellung erheblich. Ein piezoelektrischer Aktuator bezeichnet bevorzugt einen Aktuator, der den piezoelektrischen Effekt nutzt. Insbesondere kann ein piezoelektrischer Aktuator unter Nutzung des inversen piezoelektrischen Effekt den Cantilever zu Schwingungen anregen. Der piezoelektrische Effekt umfasst den direkten piezoelektrischen Effekt, der das Auftreten einer elektrischen Spannung bei der Verformung von bestimmten Festkörpern, insbesondere von Piezokristallen, beschreibt, und den inversen piezoelektrischen Effekt, bei dem durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine Verformung herbeigeführt wird. Bevorzugt umfasst ein piezoelektrischer Aktuator ein Piezokristall, der sich nach Anlegung einer elektrischen Spannung verformt. Je nach Piezokristall und Schnitt wird er länger, breiter und/oder verbiegt sich. Preferably the actuator is a MEMS actuator. A MEMS actuator is preferably an actuator that is produced using standard production methods of microsystems technology and also has dimensions in the order of pm (micrometers). Such an actuator is particularly compact, robust and low-maintenance and can be produced easily and inexpensively. In particular, the cantilever, which is excited to oscillate by the actuator, can also be a MEMS element. This preferably means that the cantilever and the actuator can preferably be produced in one production step with the MEMS actuator and are compact. Desirably, parts of the same substrate can be used for production. This simplifies and makes production considerably cheaper. A piezoelectric actuator preferably refers to an actuator that uses the piezoelectric effect. In particular, a piezoelectric actuator can stimulate the cantilever to oscillate using the inverse piezoelectric effect. The piezoelectric effect includes the direct piezoelectric effect, which describes the occurrence of an electrical voltage when certain solid bodies, in particular piezoelectric crystals, are deformed, and the inverse piezoelectric effect, in which a deformation is brought about by applying an electrical voltage. A piezoelectric actuator preferably comprises a piezoelectric crystal, which deforms when an electrical voltage is applied. Depending on the piezo crystal and the cut, it becomes longer, wider and/or bends.

Ein elektrostatischer Aktuator setzt vorzugsweise elektrostatische Felder ein, um Komponenten, insbesondere den Cantilever, zu bewegen. Dazu weist vorzugsweise der Cantilever ein Material auf, der auf die eingesetzten elektrostatischen Felder reagiert. Ein elektromagnetischer Aktuator wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um. Dabei werden vorzugsweise Effekte des Elektromagnetismus eingesetzt. Bei einem thermischen Aktuator wird vorzugsweise eine Wärmequelle verwendet, um insbesondere Bewegungen des Cantilevers zu erzeugen. An electrostatic actuator preferably uses electrostatic fields to move components, particularly the cantilever. For this purpose, the cantilever preferably has a material that reacts to the electrostatic fields used. An electromagnetic actuator converts electrical energy into mechanical energy. The effects of electromagnetism are preferably used here. In the case of a thermal actuator, a heat source is preferably used in order in particular to generate movements of the cantilever.

Magnetostriktive Aktuatoren basieren bevorzugt auf der Längenänderung von ferromagnetischen Materialien. Magnetorestriktive Aktuatoren sind vorzugsweise durch Sintertechniken hergestellt und verändern unter Magnetfeldern ihre Länge. Diese Aktuatoren können vorteilhaft auch unter hohen Drücken und Temperaturen als Stellelemente mit hoher Positionierungsgenauigkeit im Mikrometer-Bereich eingesetzt werden. Magnetostrictive actuators are preferably based on the change in length of ferromagnetic materials. Magnetostrictive actuators are preferably made by sintering techniques and change length under magnetic fields. These actuators can also be used advantageously under high pressures and temperatures as control elements with high positioning accuracy in the micrometer range.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das MEMS-Mikrofon dadurch gekennzeichnet, dass die schwingfähige Mikrofonmembran ein elektrisch leitfähiges Material umfasst, wobei bevorzugt das elektrische leitfähige Material ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Monosilizium, Polysilizium, Molybdän, Tantal, Aluminium, Graphit, Wolfram, Titan, Platin, Gold, Palladium, Eisen, Kupfer, Silber, Messing, Chrom, deren Verbindungen und/oder Legierungen, wobei optional die schwingfähige Mikrofonmembran ein zusätzliches nicht elektrisch leifähiges Material umfasst, welches bevorzugt ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Siliziumnitrid und/oder Siliziumdioxid. In a further preferred embodiment, the MEMS microphone is characterized in that the oscillatable microphone membrane comprises an electrically conductive material, the electrically conductive material preferably being selected from a group comprising monosilicon, polysilicon, molybdenum, tantalum, aluminum, graphite, tungsten, titanium , platinum, gold, palladium, iron, copper, silver, brass, chromium, their compounds and/or alloys, with the oscillatable microphone membrane optionally comprising an additional non-electrically conductive material, which is preferably selected from a group consisting of silicon nitride and/or silicon dioxide .

Diese Materialien sind in der Halbleiter- und/oder Mikrosystemherstellung einfach und kostengünstig zu bearbeiten und eignen sich für eine Herstellung im großen Maßstab. Die Mikrofonmembran kann aufgrund der Materialien und/oder Herstellungsweisen vorteilhaft flexibel hergestellt werden. Insbesondere ist bevorzugt eine Herstellung des MEMS-Mikrofons umfassend der schwingfähigen Mikrofonmembran zusammen mit einem Träger in einem (Halbleiter-)prozess, bevorzugt auf einem Substrat, möglich. Hierdurch wird die Herstellung weiter vereinfacht und verbilligt, sodass kostengünstig ein kompaktes und robustes MEMS- Mikrofon bereitgestellt werden kann. These materials are easy and inexpensive to process in semiconductor and/or microsystems fabrication and lend themselves to large-scale fabrication. Due to the materials and/or manufacturing methods, the microphone membrane can advantageously be manufactured flexibly. In particular, it is preferably possible to manufacture the MEMS microphone comprising the oscillatable microphone membrane together with a carrier in a (semiconductor) process, preferably on a substrate. This further simplifies and reduces the cost of manufacture, so that a compact and robust MEMS microphone can be provided at low cost.

Zudem sind die aufgezählten Materialien dahingehend vorteilhaft, dass sie sich durch ein besonders inertes Verhalten auszeichnen. Durch die Inertheit reagieren sie nicht mit der Umgebung, in der das erfindungsgemäße MEMS-Mikrofon angebracht werden soll, sodass vorteilhaft ein besonders robustes und unempfindliches MEMS-Mikrofon bereitgestellt werden kann. Vorzugsweise wird hierbei elektrisch leitfähiges Material eingesetzt, um insbesondere den Erhalt des Tunnelstroms zu gewährleisten. In addition, the materials listed are advantageous in that they are characterized by particularly inert behavior. Because they are inert, they do not react with the environment in which the MEMS microphone according to the invention is to be installed, so that a particularly robust and insensitive MEMS microphone can advantageously be provided. Electrically conductive material is preferably used in this case, in order in particular to ensure that the tunnel current is maintained.

Ebenfalls ist es bevorzugt, die Mikrofonmembran mit halbleitenden und/oder dielektrischen Materialien zu versehen. Dielektrische Materialien meinen vorzugsweise elektrisch nichtleitende Materialien. Insbesondere dielektrische Materialien werden vorzugsweise derart in die Mikrofonmembran eingebracht, sodass sie innerhalb der Mikrofonmembran eingebettet vorliegen. Vorteilhafterweise führen die bevorzugt eingesetzten halbleitenden und/oder dielektrischen Materialien in der Mikrofonmembran dazu, dass diese vorteilhaft mechanisch gestützt wird. Vorteilhaft kann hierüber ebenfalls die Sensitivität und damit die Schwingfähigkeit der Mikrofonmembran angepasst werden. It is also preferred to provide the microphone membrane with semiconducting and/or dielectric materials. Dielectric materials preferably mean electrically non-conductive materials. In particular, dielectric materials are preferably introduced into the microphone membrane in such a way that they are embedded within the microphone membrane. Advantageously, the preferably used semiconducting and/or dielectric materials in the microphone membrane result in the microphone membrane being supported advantageously mechanically. The sensitivity and thus the ability to oscillate the microphone membrane can also be advantageously adjusted in this way.

In einer weiteren bevorzugen Ausführungsform ist das MEMS-Mikrofon dadurch gekennzeichnet, dass der Cantilever und/oder die Messspitze ein Material umfasst ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Silizium, Iridium, Wolfram, Platin, Palladium und/oder Gold. In a further preferred embodiment, the MEMS microphone is characterized in that the cantilever and/or the measuring tip comprises a material selected from a group comprising silicon, iridium, tungsten, platinum, palladium and/or gold.

Diese Materialien weisen vorteilhaft die gewünschten elektrischen, mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften auf, um besonders effizient einen Tunnelstrom zwischen der Mikrofonmembran und der Messspitze fließen zu lassen. Des Weiteren lassen sich die Materialien sehr leicht und kostengünstig verarbeiten, um den Cantilever und/oder die Messspitze bereitzustellen. These materials advantageously have the desired electrical, mechanical and/or thermal properties in order to allow a tunnel current to flow particularly efficiently between the microphone membrane and the measuring tip. Furthermore, the materials can be processed very easily and inexpensively in order to provide the cantilever and/or the measuring tip.

Insbesondere im Hinblick auf die Bereitstellung der Messspitze hinsichtlich der Dimensionierung ist der Tunnelstrom relevant. Insbesondere kann die Messspitze dergestalt ausgebildet werden, dass ein Atom die vorderste Spitze der Messspitze und/oder für den größten Teil des Tunnelstroms verantwortlich ist. The tunnel current is particularly relevant with regard to the provision of the measuring tip in terms of dimensioning. In particular, the probe tip can be designed in such a way that one atom is the foremost tip of the probe tip and/or is responsible for most of the tunneling current.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das MEMS-Mikrofon dadurch gekennzeichnet, dass die Messspitze einen Radius von bis zu 15 nm, bevorzugt bis zu 10 nm, besonders bevorzugt bis zu 5 nm aufweist. In a further preferred embodiment, the MEMS microphone is characterized in that the measuring tip has a radius of up to 15 nm, preferably up to 10 nm, particularly preferably up to 5 nm.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das MEMS-Mikrofon dadurch gekennzeichnet, dass der Cantilever eine Länge von bis zu 1000 pm Länge, eine Breite von bis zu 100 pm Breite und eine Dicke von bis zu 10 pm autweist. In a further preferred embodiment, the MEMS microphone is characterized in that the cantilever has a length of up to 1000 μm, a width of up to 100 μm and a thickness of up to 10 μm.

Die aufgezählten Ausmaße des Cantilevers und/oder der Messspitze haben sich dahingehend als vorteilhaft erwiesen, dass sie einerseits besonders zuverlässig einen Tunnelstrom zwischen der Mikrofonmembran und der Messspitze ermöglichen und andererseits besonders optimal schwingfähig ausgebildet sind, sodass die Führung zur Mikrofonmembran besonders effizient durchführbar ist, beispielsweise durch den Aktuator. The listed dimensions of the cantilever and/or the measuring tip have proven to be advantageous in that on the one hand they enable a tunnel current between the microphone membrane and the measuring tip in a particularly reliable manner and on the other hand they are designed to be particularly optimally capable of oscillating, so that the guidance to the microphone membrane can be carried out particularly efficiently, for example through the actuator.

Der durchschnittliche Fachmann erkennt, dass technische Merkmale, Definitionen und Vorteile bevorzugter Ausführungsformen, welche für das erfindungsgemäße MEMS-Mikrofon zur Detektion akustischer Signale gelten, auch für ein Verfahren zur Detektion akustischer Signale umfassend des erfindungsgemäßen MEMS-Mikrofons gelten und umgekehrt. The average person skilled in the art recognizes that technical features, definitions and advantages of preferred embodiments which apply to the MEMS microphone according to the invention for detecting acoustic signals also apply to a method for detecting acoustic signals comprising the MEMS microphone according to the invention and vice versa.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Detektion akustischer Signale umfassend ein MEMS-Mikrofon umfassend eine Schalleintrittsöffnung, eine schwingfähige Mikrofonmembran und eine elektronische Schaltung, wobei durch die Schalleintrittsöffnung eintretende Schallwellen die schwingfähige Mikrofonmembran zu Schwingungen anregen, dadurch gekennzeichnet, dass das MEMS-Mikrofon einen Cantilever umfassend eine Messspitze und einen Aktuator aufweist, wobei der Cantilever und/oder die Messspitze durch den Aktuator aktiv zu Schwingungen angeregt wird und kontaktlos schwingend an die Mikrofonmembran geführt wird, sodass ein Tunnelstrom zwischen der Messspitze und der Mikrofonmembran gemessen wird und der Tunnelstrom eine Detektion des von den Schallwellen abhängigen Schwingungsverhaltens der Mikrofonmembran erlaubt. In a further aspect, the invention relates to a method for detecting acoustic signals, comprising a MEMS microphone comprising a sound entry opening, an oscillatable one Microphone membrane and an electronic circuit, with sound waves entering through the sound entry opening exciting the oscillatable microphone membrane to oscillate, characterized in that the MEMS microphone has a cantilever comprising a measuring tip and an actuator, the cantilever and/or the measuring tip being actively closed by the actuator Oscillations are stimulated and guided to the microphone membrane in a non-contact oscillating manner, so that a tunnel current is measured between the measuring tip and the microphone membrane and the tunnel current allows detection of the vibration behavior of the microphone membrane, which is dependent on the sound waves.

Das Verfahren zur Detektion akustischer Signale umfassend des erfindungsgemäßen MEMS- Mikrofons erlaubt vorteilhaft eine hochaufgelöste Messung niedriger Schalldruckpegel. So können Schalldruckpegel gemessen, die insbesondere weniger als 20 dB (Dezibel), bevorzugt weniger als 10 dB, besonders bevorzugt weniger als 5 dB, ganz besonders bevorzugt weniger als 1 dB betragen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass die niedrigen Schalldruckpegel mit einem besonders hohen Signal-Rausch-Verhältnis messbar sind.. The method for detecting acoustic signals comprising the MEMS microphone according to the invention advantageously allows high-resolution measurement of low sound pressure levels. Sound pressure levels can thus be measured which are in particular less than 20 dB (decibels), preferably less than 10 dB, particularly preferably less than 5 dB, very particularly preferably less than 1 dB. It is particularly advantageous that the low sound pressure levels can be measured with a particularly high signal-to-noise ratio.

Der durchschnittliche Fachmann weiß, dass das Signal-Rausch-Verhältnis das Verhältnis vom eigentlichen Signalanteil zu Rauschanteil beschreibt. Durch die Angabe in dB lässt sich das Signal-Rausch-Verhältnis besser quantifizieren. Als Rauschen wird jegliche Störung bezeichnet, welche die Signale beeinträchtigen kann. Somit lässt sich mithilfe des Signal-Rausch- Verhältnisses die Empfangsqualität der aufgenommenen Signale bewerten. Je größer das Signal-Rausch-Verhältnis ist, desto kleiner ist der Rauschanteil gegenüber dem Nutz- bzw. Messsignal und umso leichter kann er ausgefiltert werden. Gerade im Kontext der Messung von niedrigen Schalldruckpegel war das Signal-Rausch-Verhältnis im Stand der Technik nicht hoch, da der Einfluss des Rauschens höher gewichtet wird. Daher ist es als besonders vorteilhaft zu bewerten, dass das erfindungsgemäße MEMS-Mikrofon auch bei niedrige Schalldruckpegel mit vergleichsweise hohem Signal-Rausch-Verhältnis messen kann. The average expert knows that the signal-to-noise ratio describes the ratio of the actual signal component to the noise component. By specifying in dB, the signal-to-noise ratio can be better quantified. Noise is any interference that can affect the signals. The reception quality of the recorded signals can thus be evaluated using the signal-to-noise ratio. The greater the signal-to-noise ratio, the smaller the noise component compared to the useful or measurement signal and the easier it can be filtered out. Especially in the context of measuring low sound pressure levels, the signal-to-noise ratio was not high in the prior art, since the influence of noise is weighted higher. It is therefore to be rated as particularly advantageous that the MEMS microphone according to the invention can also measure at low sound pressure levels with a comparatively high signal-to-noise ratio.

Durch die Messung mithilfe eines Tunnelstroms ist vorteilhaft eine überaus sensitive Messung möglich, da bereits geringste Abweichungen deutlich erkennbar sind, insbesondere durch geringe Dimensionierung der Stromstärke des Tunnelstroms. By measuring with the aid of a tunnel current, an extremely sensitive measurement is advantageously possible, since even the slightest deviations are clearly recognizable, in particular due to the low dimensioning of the current strength of the tunnel current.

Gleichzeitig kann vorteilhaft eine Berührung zwischen der Messspitze und der Mikrofonmembran vermieden werden, sodass eine zuverlässige, langzeitstabile und sichere Messung des Schwingungsverhaltens der Mikrofonmembran und damit der aufzutreffenden Schallwellen ermöglicht wird. At the same time, contact between the measuring tip and the microphone membrane can advantageously be avoided, so that a reliable, long-term stable and safe measurement of the vibration behavior of the microphone membrane and thus of the sound waves that occur is made possible.

Zudem kann vorteilhaft die Messung ohne Strömungsverluste des Fluids durchgeführt werden, in dem sich der Schall ausbreitet, sodass ein besonders genaues Bild des Schallfeldes ermöglicht wird. In addition, the measurement can advantageously be carried out without flow losses of the fluid in which the sound propagates, so that a particularly precise image of the sound field is made possible.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen MEMS- Mikrofons oder bevorzugten Ausführungsformen davon für die photoakustische Spektroskopie.In a further aspect, the invention relates to the use of the MEMS microphone according to the invention or preferred embodiments thereof for photoacoustic spectroscopy.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen photoakustischer Gassensor umfassend einen modulierbaren Emitter, ein mit Gas befüllbares Analysevolumen und ein erfindungsgemäßes MEMS-Mikrofon oder eine bevorzugte Ausführungsform davon wobei der modulierbare Emitter und das MEMS-Mikrofon derart angeordnet sind, dass der Emitter mittels modulierbar emittierbarer Strahlung Gas in dem Analysevolumen zur Ausbildung von Schalldruckwellen anregen kann, welche mit Hilfe des MEMS-Sensors detektierbar sind. In a further aspect, the invention relates to a photoacoustic gas sensor comprising a modulatable emitter, an analysis volume that can be filled with gas and a MEMS microphone according to the invention or a preferred embodiment thereof, wherein the modulatable emitter and the MEMS microphone are arranged in such a way that the emitter can excite gas in the analysis volume to form sound pressure waves by means of modulatably emitable radiation, which with the aid of the MEMS sensor can be detected.

Der durchschnittliche Fachmann erkennt, dass technische Merkmale, Definitionen und Vorteile bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen MEMS-Mikrofon auch für das erfindungsgemäße Verfahren bzw. Verwendung sowie für einen photoakustischer Gassensor umfassend ein beschriebenes MEMS-Mikrofon gelten und umgekehrt. The average person skilled in the art recognizes that technical features, definitions and advantages of preferred embodiments of the MEMS microphone according to the invention also apply to the method or use according to the invention and to a photoacoustic gas sensor comprising a MEMS microphone described and vice versa.

Ein photoakustischer Gassensor ist dem Fachmann dabei in seinen Grundzügen bzw. wesentlichen Komponenten bekannt. Ein modulierbarer Emitter erzeugt elektromagnetische Strahlung und ist bevorzugt so angeordnet und konfiguriert, dass die von dem Infrarot-Emitter emittierte Strahlung im Wesentlichen oder zumindest teilweise auf das Gas in dem Analysevolumen trifft. A photoacoustic gas sensor is known to a person skilled in the art in terms of its basic features and essential components. A modulatable emitter generates electromagnetic radiation and is preferably arranged and configured in such a way that the radiation emitted by the infrared emitter essentially or at least partially impinges on the gas in the analysis volume.

Erfolgt die modulierte Bestrahlung mit einer Wellenlänge, welche dem Absorptionsspektrum eines in dem Gasgemisch befindlichen Moleküls einer Gaskomponente entspricht, findet eine modulierte Absorption statt, die zu Erwärmungs- und Abkühlungsprozessen führt, deren Zeitskalen die Modulationsfrequenz der Strahlung widerspiegeln. Gemäß dem photoakustischen Effekt führen die Erwärmungs- und Abkühlungsprozesse zu Expansionen und Kontraktion der Gaskomponente wodurch diese zur Ausbildung von Schalldruckwellen mit im Wesentlichen der Modulationsfrequenz angeregt wird. Die Schalldruckwellen werden auch als PAS-Signale bezeichnet und lassen sich mittels des MEMS-Mikrofons wie beschrieben besonders sensitiv messen. Die Leistung der Schallwellen ist dabei vorzugsweise direkt proportional zur Konzentration der absorbierenden Gaskomponente. Aufgrund der Möglichkeit der Messung äußerst niedriger Schallpegeldrücke mittels des erfindungsgemäßen MEMS-Mikrofons können vorteilhaft auch kleinste Anteile von Gaskomponenten detektiert werden. If the modulated irradiation occurs with a wavelength which corresponds to the absorption spectrum of a molecule of a gas component present in the gas mixture, modulated absorption takes place, which leads to heating and cooling processes whose time scales reflect the modulation frequency of the radiation. According to the photoacoustic effect, the heating and cooling processes lead to expansion and contraction of the gas component, which stimulates the formation of sound pressure waves with essentially the modulation frequency. The sound pressure waves are also referred to as PAS signals and can be measured particularly sensitively using the MEMS microphone as described. The power of the sound waves is preferably directly proportional to the concentration of the absorbing gas component. Due to the possibility of measuring extremely low sound level pressures using the MEMS microphone according to the invention, even the smallest proportions of gas components can advantageously be detected.

Verschiedene Emitter kommen bevorzugt als Strahlungsquelle für die genannten Anwendungen in Frage. Es können beispielsweise schmalbandige Laserquellen verwendet werden. Diese erlauben vorteilhafterweise die Verwendung hoher Strahlungsintensitäten und können mit Standardkomponenten für die photoakustische Spektroskopie vorzugsweise hochfrequent moduliert werden. Bevorzugt können ebenso breitbandige Emitter verwendet werden. Diese weisen vorteilhafterweise ein breites Spektrum auf, welches sich z. B. durch den Einsatz von (durchstimmbaren) Filtern weiter selektieren lässt. Bevorzugt ist der modulierbare Emitter eine modulierbarer Infrarotemitter. Various emitters are preferred as radiation sources for the applications mentioned. For example, narrow-band laser sources can be used. These advantageously allow the use of high radiation intensities and can preferably be modulated at high frequency using standard components for photoacoustic spectroscopy. Broadband emitters can also preferably be used. These advantageously have a wide range, which z. B. can be further selected by using (tunable) filters. The emitter that can be modulated is preferably a modulatable infrared emitter.

In einer Ausführungsform kann der modulierbare Emitter ein thermischer Emitter sein umfassend ein Heizelement, wobei das Heizelement ein Substrat umfasst, auf welchem mindestens teilweise eine erhitzbare Schicht aus einem leitfähigen Material aufgebracht ist, an welchem Kontakte für eine Strom- und/oder Spannungsquelle vorliegen. Dabei umfasst das Heizelement eine erhitzbare Schicht aus einem leitfähigen Material, welches bei Durchfluss eines elektrischen Stroms joulesche Wärme produziert. Das Heizelement umfasst insbesondere ein Substrat, auf dem die erhitzbare Schicht vorliegt. Das Substrat bildet bevorzugt die Basis des Heizelements. Dabei kann das Substrat auch weitere Elemente des IR-Emitters, wie beispielsweise Grundelement und/oder Gehäuseelemente zumindest teilweise umfassen. In one embodiment, the modulatable emitter can be a thermal emitter comprising a heating element, the heating element comprising a substrate on which a heatable layer made of a conductive material is at least partially applied, on which contacts for a current and/or voltage source are present. The heating element includes a Heatable layer made of a conductive material that produces Joule heat when an electric current flows through it. In particular, the heating element comprises a substrate on which the heatable layer is present. The substrate preferably forms the base of the heating element. In this case, the substrate can also at least partially include other elements of the IR emitter, such as for example a base element and/or housing elements.

Der Emitter ist modulierbar, das bedeutet, dass die Intensität der emittierten Strahlung, bevorzugt die Intensität des Strahls im zeitlichen Verlauf kontrollierbar geändert werden kann. Die Modulation soll bevorzugt eine zeitliche Änderung der Intensität als messbare Größe hervorrufen. Das bedeutet z. B., dass die Intensität im zeitlichen Verlauf zwischen der innerhalb des Messzeitraums gemessenen schwächsten Intensität und der innerhalb desselben Zeitraums gemessenen stärksten Intensität ein Unterschied besteht, der größer ist als die Sensibilität eines für das Strahlungsspektrum und die Anwendung typischerweise verwendeten Geräts zur Messung oder Bestimmung der Intensität. Bevorzugt ist der Unterschied deutlich größer als ein Faktor 2, mehr bevorzugt 4, 6 oder 8 zwischen der stärksten und der schwächsten einstellbaren Intensität. Besonders bevorzugt erfolgt die Modulation der Intensität des modulierten Strahles für eine oder mehrere vorbestimmte Resonanzwellenlängen. The emitter can be modulated, which means that the intensity of the emitted radiation, preferably the intensity of the beam, can be changed in a controllable manner over time. The modulation should preferably bring about a change in the intensity over time as a measurable variable. That means e.g. B. that the intensity over time between the weakest intensity measured within the measurement period and the strongest intensity measured within the same period of time there is a difference that is greater than the sensitivity of a device typically used for the radiation spectrum and the application for measuring or determining the Intensity. The difference is preferably significantly greater than a factor of 2, more preferably 4, 6 or 8 between the strongest and the weakest adjustable intensity. Particularly preferably, the intensity of the modulated beam is modulated for one or more predetermined resonance wavelengths.

Vorzugsweise kann eine direkte Modulation durch Variation der Stromzufuhr vorgenommen werden. Bei einem thermischen Emitter ist eine solche Modulation aufgrund thermischer Zeitkonstanten meistens auf einen bestimmten Bereich eines Modulationsspektrums limitiert, z.Direct modulation can preferably be carried out by varying the power supply. In the case of a thermal emitter, such a modulation is usually limited to a certain range of a modulation spectrum, e.g.

B. im Bereich einer Größenordnung von bis zu 100 Hz. Bei z. B. einem Laser oder einer LED sind bevorzugt deutlich höhere Modulationsraten, z. B. im kHz-Bereich und darüber hinaus, möglich.B. in the range of an order of up to 100 Hz. B. a laser or an LED are preferably significantly higher modulation rates, z. B. in the kHz range and beyond, possible.

Eine Modulation des Emitters kann vorzugsweise ebenso durch eine externe Modulation erfolgen, z. B. durch die Verwendung eines sich drehend Chopperrads und/oder eines elektrooptischen Modulators. The emitter can preferably also be modulated by external modulation, e.g. B. through the use of a rotating chopper wheel and / or an electro-optical modulator.

Das zu analysierende Gas befindet sich bevorzugt in einem mit Gas befüllbaren Analysevolumen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist dieses ein nach außen zumindest bereichsweise abgeschlossenes oder abschließbares Volumen (bzw. Kammer), in der sich das Gas befindet bzw. eingeleitet werden kann, z. B. durch eine verschließbare Öffnung in Form eines Verschlusses und/oder Ventils und/oder durch eine Zuleitung. Es kann sich aber auch um ein komplett abgeschlossenes oder abschließbares Volumen bzw. Kammer handeln, welches zumindest eine, vorzugsweise zwei verschließbare Öffnung zur Einleitung und/oder Ausleitung des zu analysierenden Gases aufweist. So kann das zu analysierende Gas sehr gut lokalisiert werden, insbesondere in einem Strahlbereich des Emitters, beispielsweise einer Infrarotstrahlung. The gas to be analyzed is preferably located in an analysis volume that can be filled with gas. In a preferred embodiment, this is a volume (or chamber) that is at least partially closed or lockable to the outside, in which the gas is located or can be introduced, e.g. B. through a closable opening in the form of a closure and / or valve and / or through a supply line. However, it can also be a completely closed or lockable volume or chamber, which has at least one, preferably two, lockable openings for introducing and/or discharging the gas to be analyzed. The gas to be analyzed can thus be localized very well, in particular in a beam area of the emitter, for example infrared radiation.

Das Analysevolumen kann vorzugsweise ebenso zumindest teilweise geöffnet sein. Dadurch kann insbesondere eine das Spektroskop umgebende Gasatmosphäre, gegenüber dem das Analysevolumen zumindest teilweise geöffnet ist, vermessen und auf ihre Zusammensetzung überprüft werden. Dies ist insbesondere interessant für Anwendungen im Bereich der Schadstoffmessung, aber auch z. B. für militärische Anwendungen oder zur Terrorabwehr, z. B. durch einen Giftgasangriff. Vorteilhaft ist in diesem Fall, dass das Analysevolumen wohl definiert ist, so dass Emitter, das Analysevolumen und das MEMS-Mikrofon derart angeordnet vorliegen, dass die von dem Emitter modulierbar emittierbare Strahlung Gas im Analysevolumen zur Ausbildung von Schalldruckwellen anregen kann, welche mit Hilfe des MEMS-Mikrofons messbar sind. The analysis volume can preferably also be at least partially open. In this way, in particular, a gas atmosphere surrounding the spectroscope, to which the analysis volume is at least partially open, can be measured and checked for its composition. This is particularly interesting for applications in the field of pollutant measurement, but also z. B. for military applications or counter-terrorism, z. B. by a poison gas attack. In this case, it is advantageous that the analysis volume is well defined, so that the emitter, the analysis volume and the MEMS microphone are arranged in such a way that the radiation that can be emitted by the emitter in a modulable manner can excite gas in the analysis volume to form sound pressure waves, which can be detected with the help of the MEMS microphones are measurable.

Das Analysevolumen liegt bevorzugt im Strahlengang des Emitters vor. Das bedeutet bevorzugt, dass die Intensität des Strahls im Wesentlichen oder zumindest teilweise auf die dem Emitter zugewandte Seite des Analysevolumens trifft. Teilweise bedeutet bevorzugt zu mindestens 40 %, bevorzugt mindestens 50%, 60%, 70%, 80% oder mehr. The analysis volume is preferably in the beam path of the emitter. This preferably means that the intensity of the beam essentially or at least partially impinges on the side of the analysis volume facing the emitter. Partially means preferably at least 40%, preferably at least 50%, 60%, 70%, 80% or more.

Ein Analysevolumen kann durch eine Kammer gebildet werden. Es kann aber auch bevorzugt sein, dass das Analysevolumen eine Probekammer und eine Referenzkammer umfassen, welche durch einen Verbindungskanal verbunden bzw. verbindbar sind. An analysis volume can be formed by a chamber. However, it can also be preferred that the analysis volume comprises a sample chamber and a reference chamber, which are connected or can be connected by a connecting channel.

Im Falle einer Ausführungsform eines Analysevolumens, welche eine Probekammer und eine Referenzkammer aufweist, kann es bevorzugt sein, in jeder Kammer einen MEMS-Mikrofon zu positionieren, um in jeder Kammer separat zu messen und somit Störquellen, z. B. externe Schalldruckwellen, welche nicht von der in der Probekammer absorbierten Strahlung herrühren, vorzugsweise nach der Messung herausrechnen zu können. In the case of an embodiment of an analysis volume, which has a sample chamber and a reference chamber, it may be preferable to position a MEMS microphone in each chamber in order to measure separately in each chamber and thus eliminate sources of interference, e.g. B. external sound pressure waves, which do not originate from the radiation absorbed in the sample chamber, preferably to be able to calculate them out after the measurement.

Ebenso kann es bevorzugt sein, dass der Emitter die Probekammer und nicht die Referenzkammer bestrahlt und wobei zwischen der Probekammer und Referenzkammer ein Verbindungskanal vorliegt, in welchem das MEMS-Mikrofon als Schalldetektor befindet. In dem Probenvolumen und Referenzvolumen kann sich das gleiche Gas befinden. Es kann ebenso bevorzugt sein, dass im Probevolumen und im Referenzvolumen unterschiedliches Gas umfasst ist, wobei im Referenzvolumen ein Gas mit bekannten Eigenschaften vorliegt und im Probenvolumen ein zu analysierendes Gas vorliegt. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch eine besonders präzise photoakustische Spektroskopie aus, da beispielsweise Schall von unerwünschten Schallquellen bei der Messung und/oder der Auswertung der Messung herausgerechnet bzw. nicht mitgemessen wird. Vorzugsweise können Probenvolumen und ein Referenzvolumen im Wesentlichen gleiche Abmessungen aulweisen, um eine genaue differentielle Messmethode zu realisieren. It can also be preferred that the emitter irradiates the sample chamber and not the reference chamber and that there is a connecting channel between the sample chamber and the reference chamber, in which the MEMS microphone is located as a sound detector. The same gas can be found in the sample volume and reference volume. It can also be preferred that different gas is contained in the sample volume and in the reference volume, a gas with known properties being present in the reference volume and a gas to be analyzed being present in the sample volume. This embodiment is distinguished by a particularly precise photoacoustic spectroscopy, since, for example, sound from undesired sound sources is eliminated or not included in the measurement and/or the evaluation of the measurement. Sample volumes and a reference volume can preferably have essentially the same dimensions in order to implement an accurate differential measurement method.

Das erfindungsgemäße MEMS-Mikrofon soll im Folgenden anhand von Beispielen näher erläutert werden, ohne auf diese Beispiele beschränkt zu sein. The MEMS microphone according to the invention is to be explained in more detail below using examples, without being restricted to these examples.

FIGUREN CHARACTERS

Kurzbeschreibunq der Figuren Brief description of the characters

Fig. 1 Schematische Darstellung eines bevorzugten MEMS-Mikrofons Fig. 1 Schematic representation of a preferred MEMS microphone

Detaillierte Beschreibung der Figuren Detailed description of the figures

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines bevorzugten MEMS-Mikrofons 1. Wie in den obigen Ausführungen dargelegt, eignet sich das MEMS-Mikrofon 1 besonders gut, um mit hoher Auflösung niedrige Schalldruckpegel zu messen. Das MEMS-Mikrofon 1 umfasst eine schwingfähige Mikrofonmembran 3. Tritt ein Schallereignis auf, so breiten sich Schallwellen 5 ausgehend von einer Schallquelle in Richtung des MEMS- Mikrofons 1 durch eine Schalleintrittsöffnung aus und treffen auf Mikrofonmembran 3, die daraufhin zu Schwingungen angeregt wird. Des Weiteren weist das MEMS-Mikrofon 1 einen Cantilever 7 umfassend eine Messspitze 9 auf. Weitere Komponenten wie eine elektronische Schaltung und ein Aktuator sind in Fig. 1 nicht dargestellt. 1 shows a schematic representation of a preferred MEMS microphone 1. As explained in the above statements, the MEMS microphone 1 is particularly well suited to measuring low sound pressure levels with high resolution. The MEMS microphone 1 includes an oscillatable microphone membrane 3. If a sound event occurs, sound waves 5 propagate from a sound source in the direction of the MEMS microphone 1 through a sound inlet opening and hit the microphone membrane 3, which is then excited to oscillate. Furthermore, the MEMS microphone 1 has a cantilever 7 including a measuring tip 9 . Other components such as an electronic circuit and an actuator are not shown in FIG.

Die elektronische Schaltung ist dazu eingerichtet, dass der Cantilever 7 umfassend der Messspitze 9 aktiv zu Schwingungen angeregt wird, wobei die Übertragung zur Durchführung Schwingung durch den Aktuator erfolgen kann. Die Schwingung des Cantilevers 7 und damit der Messspitze 9 soll durch die gestrichelte Linie und den gebogenen Pfeil unterhalb der Messspitze 9 verdeutlicht werden. Die Messspitze 9 und die Mikrofonmembran 3 umfassen elektrisch leitfähiges Material. Die Messspitze 9 wird so nah kontaktlos schwingend an die Mikrofonmembran 3 geführt, dass basierend auf dem quantenmechanischen Tunneleffekt ein Tunnelstrom (nicht abgebildet) fließt. Der Tunnelstrom reflektiert als periodisches Signal die Schwingung der Messspitze 9, da sich der Abstand zwischen der Messspitze 9 und der Mikrofonmembran periodisch ändert. Der messbare Tunnelstrom erlaubt eine Detektion des Schwingungsverhaltens der Mikrofonmembran 3, der von den Schallwellen 5, insbesondere von Größen wie z. B. den Schalldruckpegel und/oder der Frequenz, abhängt. The electronic circuit is set up in such a way that the cantilever 7 including the measuring tip 9 is actively excited to oscillate, it being possible for the transmission to be carried out by the actuator to oscillate. The oscillation of the cantilever 7 and thus of the measuring tip 9 is intended to be illustrated by the dashed line and the curved arrow below the measuring tip 9. The measuring tip 9 and the microphone membrane 3 comprise electrically conductive material. The measuring tip 9 is brought so close to the microphone membrane 3 that it oscillates without making contact, so that a tunnel current (not shown) flows based on the quantum-mechanical tunnel effect. The tunnel current reflects the vibration of the measuring tip 9 as a periodic signal, since the distance between the measuring tip 9 and the microphone membrane changes periodically. The measurable tunnel current allows detection of the vibration behavior of the microphone membrane 3, which is caused by the sound waves 5, in particular of sizes such. B. the sound pressure level and / or the frequency depends.

Vorteilhaft können mithilfe des MEMS-Mikrofons 1 niedrige Schalldruckpegel bei gleichzeitig hohem Signal-Rausch-Verhältnis gemessen werden, da der Tunnelstrom durch die exponentielle Abhängigkeit vom Abstand geringste Auslenkungen der Mikrofonmembran 3 besonders präzise messen kann. The MEMS microphone 1 can advantageously be used to measure low sound pressure levels with a simultaneously high signal-to-noise ratio, since the tunnel current can measure the smallest deflections of the microphone membrane 3 particularly precisely due to the exponential dependence on the distance.

Das MEMS-Mikrofon 1 ist auch dahingehend vorteilhaft, dass besonders zuverlässig ein Kontakt zwischen der Messspitze 9 und der Mikrofonmembran 3 vermieden wird. Weiterhin treten vorteilhaft keine Strömungsverluste des Schalls auf, sodass ein besonders genaues Schallbild erzeugt werden kann. Somit kann das MEMS-Mikrofon 1 mit hoher Präzession und Zuverlässigkeit Schalldruckpegel messen und bereits geringste Abweichungen genau feststellen.The MEMS microphone 1 is also advantageous in that contact between the measuring tip 9 and the microphone membrane 3 is avoided in a particularly reliable manner. Furthermore, there are advantageously no flow losses of the sound, so that a particularly precise sound image can be generated. The MEMS microphone 1 can thus measure sound pressure levels with high precision and reliability and can precisely determine even the slightest deviations.

Der Cantilever 7 und damit auch die Messspitze 9 führen Schwingungen aus, die deutlich schneller sind als erwartbare Schwingungen der schwingfähigen Mikrofonmembran 3, sodass vorteilhafterweise auch die Schwingung des Cantilevers 7 und/oder der Messspitze 9 unabhängig von der Schwingung der Mikrofonmembran 3 ist. Daher kann die Mikrofonmembran 3 in einem weiten Frequenzbereich schwingen bei gleichzeitig zuverlässiger und besonders sensitiver Detektionsmöglichkeit von Schallwellen durch den Tunnelstrom. The cantilever 7 and thus also the measuring tip 9 perform vibrations that are significantly faster than the expected vibrations of the oscillatable microphone membrane 3, so that advantageously the vibration of the cantilever 7 and/or the measuring tip 9 is independent of the vibration of the microphone membrane 3. Therefore, the microphone membrane 3 can oscillate in a wide frequency range while at the same time providing a reliable and particularly sensitive possibility of detecting sound waves through the tunnel current.

Das MEMS-Mikrofon 1 kann verschiedene Betriebsmodi aufweisen. The MEMS microphone 1 can have different operating modes.

So kann die elektronische Schaltung dazu eingerichtet sein, dass eine Amplitude und eine Mittelposition einer Schwingung der Messpitze 9 und/oder des Cantilevers 7 konstant gehalten wird. Dabei wird eine Änderung der Amplitude des Tunnelstroms gemessen, die Aufschluss über das Schwingungsverhalten der Mikrofonmembran 3 und mit über Schallparameter wie den Schalldruckpegel auftreffender Schallwellen 5 gibt. Weiterhin kann die elektronische Schaltung derart konfiguriert sein, dass eine Amplitude des Tunnelstroms zwischen der Mikrofonmembran 3 und der Messspitze 9 konstant gehalten wird. Dies wird dadurch erzielt, indem eine Schwingung des Cantilevers 7 und damit der Messspitze 9 derart reguliert wird, dass ein Abstand zwischen der Mikrofonmembran 3 und einer Mittelposition der Messspitze 9 konstant gehalten wird. Dies erfolgt insbesondere durch einen geschlossenenThe electronic circuit can be set up to keep an amplitude and a center position of an oscillation of the measuring tip 9 and/or of the cantilever 7 constant. A change in the amplitude of the tunnel current is measured, which provides information about the vibration behavior of the microphone membrane 3 and about sound parameters such as the sound pressure level of sound waves 5 incident. Furthermore, the electronic circuit can be configured in such a way that an amplitude of the tunnel current between the microphone membrane 3 and the measuring tip 9 is kept constant. This is achieved in that an oscillation of the cantilever 7 and thus of the measuring tip 9 is regulated in such a way that a distance between the microphone membrane 3 and a central position of the measuring tip 9 is kept constant. This is done in particular by a closed

Regelkreis, der beispielsweise durch die elektronische Schaltung gegeben sein kann. In diesem Fall erlaubt die notwendige Abstandsanpassung zwischen der Mikrofonmembran 3 und einer Mittelposition der Messspitze 9 unmittelbar Rückschlüsse auf das Schwingungsverhalten der Membran und mithin die auftreffenden Schallwellen 5. Control loop, which can be given for example by the electronic circuit. In this case, the necessary adjustment of the distance between the microphone membrane 3 and a central position of the measuring tip 9 allows direct conclusions to be drawn about the vibration behavior of the membrane and therefore the sound waves 5 that are impinging.

TI BEZUGSZEICHENLISTE ti REFERENCE LIST

1 MEMS-Mikrofon 1 MEMS microphone

3 Schwingfähige Mikrofonmembran3 Vibrating Microphone Diaphragm

5 Schallwellen 5 sound waves

7 Cantilever 7 cantilevers

9 Messspitze 9 measuring tip

LITERATURVERZEICHNIS BIBLIOGRAPHY

Sievilä, Päivi, et al. "Sensitivity-improved silicon cantilever microphone for acousto-optical detection." Sensors and Actuators A: Physical 190 (2013): 90-95. Sievilä, Päivi, et al. "Sensitivity-improved silicon cantilever microphone for acousto-optical detection." Sensors and Actuators A: Physical 190 (2013): 90-95.

Claims

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS 1 . MEMS-Mikrofon (1 ) zur Detektion akustischer Signale umfassend eine Schalleintrittsöffnung, eine schwingfähige Mikrofonmembran (3) und eine elektronische Schaltung, wobei durch die Schalleintrittsöffnung eintretende Schallwellen (5) die schwingfähige Mikrofonmembran (3) zu Schwingungen anregen, dadurch gekennzeichnet, dass das MEMS-Mikrofon (1 ) einen Cantilever (7) umfassend eine Messspitze (9) und einen Aktuator autweist, wobei die elektronische Schaltung für eine Messung eines Tunnelstroms zwischen der Mikrofonmembran (3) und der Messspitze (9) sowie für eine aktive Anregung des Cantilevers (7) zu Schwingungen eingerichtet ist, wobei zur Detektion akustischer Signale die Messspitze (9) kontaktlos schwingend an die Mikrofonmembran (3) geführt wird, während der messbare Tunnelstrom eine Detektion des von den Schallwellen (5) abhängigen Schwingungsverhaltens der Mikrofonmembran (3) erlaubt. 1 . MEMS microphone (1) for detecting acoustic signals, comprising a sound entry opening, an oscillatable microphone membrane (3) and an electronic circuit, with sound waves (5) entering through the sound entry opening exciting the oscillatable microphone membrane (3) to oscillate, characterized in that the MEMS - Microphone (1) has a cantilever (7) comprising a measuring tip (9) and an actuator, the electronic circuit for measuring a tunnel current between the microphone membrane (3) and the measuring tip (9) and for active excitation of the cantilever ( 7) is set up to vibrate, with the measuring tip (9) being guided to the microphone membrane (3) in a non-contact vibrating manner to detect acoustic signals, while the measurable tunnel current allows detection of the vibration behavior of the microphone membrane (3), which is dependent on the sound waves (5). 2. MEMS-Mikrofon (1 ) nach dem vorherigen Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass der Cantilever (7) Schwingungen ausführt mit einer Frequenz von mehr als 20 kHz, bevorzugt mehr als 50 kHz, besonders bevorzugt mehr als 100 kHz. 2. MEMS microphone (1) according to the preceding claim, characterized in that the cantilever (7) oscillates at a frequency of more than 20 kHz, preferably more than 50 kHz, particularly preferably more than 100 kHz. 3. MEMS-Mikrofon (1 ) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung dazu eingerichtet ist, dass eine Amplitude und eine Mittelposition einer Schwingung der Messpitze (9) und/oder des Cantilevers (7) konstant gehalten wird, wobei eine Änderung einer Amplitude des Tunnelstroms zwischen der Mikrofonmembran (3) und der Messspitze (9) gemessen wird, wobei die Amplitude des Tunnelstroms von dem Schwingungsverhaltens der Mikrofonmembran (3) abhängt. 3. MEMS microphone (1) according to one or more of the preceding claims, characterized in that the electronic circuit is set up to keep an amplitude and a center position of an oscillation of the measuring tip (9) and/or the cantilever (7) constant , wherein a change in an amplitude of the tunnel current between the microphone membrane (3) and the measuring tip (9) is measured, the amplitude of the tunnel current depending on the vibration behavior of the microphone membrane (3). 4. MEMS-Mikrofon (1 ) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung dazu eingerichtet ist, dass eine Amplitude des Tunnelstroms zwischen der Mikrofonmembran (3) und der Messspitze (9) konstant gehalten wird, wobei eine Schwingung des Cantilevers (7) und/oder der Messspitze (9) reguliert wird, um einen Abstand zwischen der Mikrofonmembran (3) und einer Mittelposition der Messspitze (9) konstant zu halten. 4. MEMS microphone (1) according to one or more of the preceding claims, characterized in that the electronic circuit is set up so that an amplitude of the tunnel current between the microphone membrane (3) and the measuring tip (9) is kept constant, with an oscillation of the cantilever (7) and/or the measuring tip (9) is regulated in order to keep a distance between the microphone membrane (3) and a middle position of the measuring tip (9) constant. 5. MEMS-Mikrofon (1 ) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung dazu eingerichtet ist, eine Vorspannung an der Mikrofonmembran (3) anzulegen, sodass eine Nullpunktslage und/oder Schwingfähigkeit der Mikrofonmembran (3) reguliert werden kann. MEMS-Mikrofon (1 ) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das MEMS-Mikrofon (1 ) eine Sensitivität aufweist, welche es erlaubt, Schalldruckwellen (5) mit einem Schalldruckpegel von weniger als 20 dB, besonders bevorzugt weniger als 10 dB, zu messen. MEMS-Mikrofon (1 ) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung dazu eingerichtet ist, dass der Aktuator die Schwingung des Cantilevers (7) derart reguliert, dass zwischen maximalen Auslenkungen der Messspitze (9) und der schwingfähigen Mikrofonmembran (3) ein Abstand zwischen 0,1 nm und 100 nm vorliegt. MEMS-Mikrofon (1 ) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator den Cantilever (3) umfassend der Messspitze (9) zu Schwingungen anregt, wobei bevorzugt der Aktuator ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend ein piezoelektrischer Aktuator, ein elektrostatischer Aktuator, ein elektromagnetischer Aktuator und/oder ein thermischer Aktuator. MEMS-Mikrofon (1 ) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die schwingfähige Mikrofonmembran (3) ein elektrisch leitfähiges Material umfasst, wobei bevorzugt das elektrische leitfähige Material ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Monosilizium, Polysilizium, Molybdän, Tantal, Aluminium, Graphit, Wolfram, Titan, Platin, Gold, Palladium, Eisen, Kupfer, Silber, Messing, Chrom, deren Verbindungen und/oder Legierungen, wobei optional die schwingfähige Mikrofonmembran (3) ein zusätzliches nicht elektrisch leifähiges Material umfasst, welches bevorzugt ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Siliziumnitrid und/oder Siliziumdioxid. MEMS-Mikrofon (1 ) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass dass der Cantilever (7) und/oder die Messspitze (9) ein Material umfasst ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Silizium, Iridium, Wolfram, Platin, Palladium und/oder Gold. MEMS-Mikrofon (1 ) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Messspitze (9) einen Radius von bis zu 15 nm, bevorzugt bis zu 10 nm, besonders bevorzugt bis zu 5 nm aufweist. MEMS-Mikrofon (1 ) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Cantilever (7) eine Länge von bis zu 1000 pm Länge, eine Breite von bis zu 100 pm Breite und eine Dicke von bis zu 10 pm autweist. Verfahren zur Detektion akustischer Signale umfassend ein MEMS-Mikrofon (1 ) umfassend eine Schalleintrittsöffnung, eine schwingfähige Mikrofonmembran (3) und eine elektronische Schaltung, wobei durch die Schalleintrittsöffnung eintretende Schallwellen (5) die schwingfähige Mikrofonmembran (3) zu Schwingungen anregen, dadurch gekennzeichnet, dass das MEMS-Mikrofon (1 ) einen Cantilever (7) umfassend eine Messspitze (9) und einen Aktuator autweist, wobei der Cantilever (7) und/oder die Messspitze (9) durch den Aktuator aktiv zu Schwingungen angeregt wird und kontaktlos schwingend an die Mikrofonmembran geführt wird, sodass ein Tunnelstrom zwischen der Messspitze (9) und der Mikrofonmembran (3) gemessen wird und der Tunnelstrom eine Detektion des von den Schallwellen (5) abhängigen Schwingungsverhaltens der Mikrofonmembran (3) erlaubt. Verwendung des MEMS-Mikrofons (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 12 für die photoakustische Spektroskopie und/oder Infrarotspektroskopie. Photoakustischer Gassensor umfassend einen modulierbaren Emitter, ein mit Gas befüllbares Analysevolumen und ein MEMS-Mikrofon (1 ) gemäß einem der vorherigen Ansprüchel -13, wobei der modulierbare Emitter und das MEMS-Mikrofon derart angeordnet sind, dass der Emitter mittels modulierbar emittierbarer Strahlung Gas in dem Analysevolumen zur Ausbildung von Schalldruckwellen anregen kann, welche mit Hilfe des MEMS-Sensors detektierbar sind. 5. MEMS microphone (1) according to one or more of the preceding claims, characterized in that the electronic circuit is set up to apply a bias voltage to the microphone membrane (3), so that a zero point position and/or the ability to oscillate the microphone membrane (3) can be regulated can. MEMS microphone (1) according to one or more of the preceding claims, characterized in that the MEMS microphone (1) has a sensitivity which allows sound pressure waves (5) with a sound pressure level of less than 20 dB, particularly preferably less than 10 dB to measure. MEMS microphone (1) according to one or more of the preceding claims, characterized in that the electronic circuit is set up so that the actuator regulates the vibration of the cantilever (7) in such a way that between maximum deflections of the measuring tip (9) and the oscillatable microphone membrane (3) there is a distance between 0.1 nm and 100 nm. MEMS microphone (1) according to one or more of the preceding claims, characterized in that the actuator excites the cantilever (3) comprising the measuring tip (9) to oscillate, the actuator preferably being selected from a group comprising a piezoelectric actuator, an electrostatic actuator, an electromagnetic actuator and/or a thermal actuator. MEMS microphone (1) according to one or more of the preceding claims, characterized in that the oscillatable microphone membrane (3) comprises an electrically conductive material, the electrically conductive material preferably being selected from a group comprising monosilicon, polysilicon, molybdenum, tantalum, aluminum , Graphite, tungsten, titanium, platinum, gold, palladium, iron, copper, silver, brass, chromium, their compounds and/or alloys, with the oscillatable microphone membrane (3) optionally comprising an additional non-electrically conductive material, which is preferably selected from a group comprising silicon nitride and/or silicon dioxide. MEMS microphone (1) according to one or more of the preceding claims, characterized in that the cantilever (7) and/or the measuring tip (9) comprises a material selected from a group comprising silicon, iridium, tungsten, platinum, palladium and/or or gold. MEMS microphone (1) according to one or more of the preceding claims, characterized in that the measuring tip (9) has a radius of up to 15 nm, preferably up to 10 nm, particularly preferably up to 5 nm. MEMS microphone (1) according to one or more of the preceding claims, characterized in that the cantilever (7) has a length of up to 1000 μm, a width of up to 100 μm and a thickness of up to 10 μm. Method for detecting acoustic signals comprising a MEMS microphone (1) comprising a sound entry opening, an oscillatable microphone membrane (3) and an electronic circuit, wherein sound waves (5) entering through the sound entry opening excite the oscillatable microphone membrane (3) to oscillate, characterized in that that the MEMS microphone (1) has a cantilever (7) comprising a measuring tip (9) and an actuator, the cantilever (7) and/or the measuring tip (9) being actively excited to oscillate by the actuator and oscillating without contact the microphone membrane is guided, so that a tunnel current is measured between the measuring tip (9) and the microphone membrane (3) and the tunnel current allows detection of the sound waves (5) dependent vibration behavior of the microphone membrane (3). Use of the MEMS microphone (1) according to one or more of Claims 1 - 12 for photoacoustic spectroscopy and/or infrared spectroscopy. Photoacoustic gas sensor comprising a modulatable emitter, an analysis volume that can be filled with gas and a MEMS microphone (1) according to one of the preceding claims -13, wherein the modulatable emitter and the MEMS microphone are arranged in such a way that the emitter uses modulatably emissible radiation gas in can stimulate the analysis volume to form sound pressure waves, which can be detected using the MEMS sensor.
PCT/EP2023/053859 2022-02-24 2023-02-16 Mems tapping-mode cantilever as acoustic nanoforce sensor WO2023161113A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202380022931.9A CN118749202A (en) 2022-02-24 2023-02-16 MEMS tapping mode cantilever as acoustic nanoforce sensor
EP23704801.2A EP4483585A1 (en) 2022-02-24 2023-02-16 Mems tapping-mode cantilever as acoustic nanoforce sensor

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP22158393.3 2022-02-24
EP22158393 2022-02-24

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023161113A1 true WO2023161113A1 (en) 2023-08-31

Family

ID=80448917

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2023/053859 WO2023161113A1 (en) 2022-02-24 2023-02-16 Mems tapping-mode cantilever as acoustic nanoforce sensor

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP4483585A1 (en)
CN (1) CN118749202A (en)
WO (1) WO2023161113A1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050249041A1 (en) 2004-05-07 2005-11-10 Corporation For National Research Initiatives Miniature acoustic detector based on electron surface tunneling
US20110296900A1 (en) 2010-06-03 2011-12-08 Honeywell International Inc. Integrated IR Source and Acoustic Detector for Photoacoustic Gas Sensor
US20150158722A1 (en) 2013-03-13 2015-06-11 Invensense, Inc. Systems and apparatus having mems acoustic sensors and other mems sensors and methods of fabrication of the same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050249041A1 (en) 2004-05-07 2005-11-10 Corporation For National Research Initiatives Miniature acoustic detector based on electron surface tunneling
US20110296900A1 (en) 2010-06-03 2011-12-08 Honeywell International Inc. Integrated IR Source and Acoustic Detector for Photoacoustic Gas Sensor
US20150158722A1 (en) 2013-03-13 2015-06-11 Invensense, Inc. Systems and apparatus having mems acoustic sensors and other mems sensors and methods of fabrication of the same

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SIEVILÄ, PÄIVI ET AL.: "Sensitivity-improved silicon cantilever microphone for acousto-optical detection", SENSORS AND ACTUATORS A: PHYSICAL, vol. 190, 2013, pages 90 - 95

Also Published As

Publication number Publication date
CN118749202A (en) 2024-10-08
EP4483585A1 (en) 2025-01-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3931558B1 (en) Photoacoustic spectroscope with a vibrating structure as sound detector
DE69618627T2 (en) BOOM STRUCTURES
DE102006004922B4 (en) Miniaturized spring element and method for its production, beam probe, atomic force microscope and method for its operation
WO2021038099A1 (en) Mems-based photoacoustic cell
DE102014217799A1 (en) Piezoelectric position sensor for piezoelectrically driven resonant micromirrors
EP3919890A1 (en) Photoacoustic spectroscopy of gas mixtures by means of tunable fabry-pérot interferometer
DE112006003699B4 (en) Deflectible micromechanical system and its use
DE102004030380B4 (en) Micromechanical pressure sensor and method for self-testing of such
EP4483585A1 (en) Mems tapping-mode cantilever as acoustic nanoforce sensor
EP2593760B1 (en) Infrared sensor having tunnel contact for measuring the deformation of a membrane
JP2007292618A (en) Deformation measuring device and manufacturing method thereof
Chuang et al. Nano-scale fatigue study of LPCVD silicon nitride thin films using a mechanical-amplifier actuator
EP2470880B1 (en) Sensor arrangement for measuring properties of fluids
DE10321931B4 (en) Method for non-contact excitation of torsional vibrations in a cantilevered cantilever of an atomic force microscope
WO2012156050A1 (en) Apparatus and method for detecting the deflection of elastic elements
EP2153170B1 (en) Rotary speed sensor
AT524956B1 (en) MICRO-ELECTRO-MECHANICAL SYSTEM
DE102005038245B4 (en) Device for vibrational excitation of a cantilever mounted in an atomic force microscope cantilever
DE102009000679A1 (en) Rotation rate sensor i.e. micromechanical sensor, for use in vehicle, has sensor mass comprising beam structures designed as electrodes of drive device, and detection device piezo-electrically detecting deflection of beam structures
DE10033182A1 (en) Device and method for pressure measurement
DE102007059977B4 (en) Device for operating a micromechanical cantilever and measuring arrangement with such a cantilever
EP4328578B1 (en) Digital sensor device for detecting analytes in a sample
DE102023208543A1 (en) MEMS sensor and method for compensating systematic measurement errors in MEMS sensors
DE102017202455B4 (en) MEMS- or NEMS-based sensor and method for operating such
WO2003055652A1 (en) Sampling and gripper device

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23704801

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

DPE1 Request for preliminary examination filed after expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 18840457

Country of ref document: US

Ref document number: 202380022931.9

Country of ref document: CN

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2023704801

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2023704801

Country of ref document: EP

Effective date: 20240924

点击 这是indexloc提供的php浏览器服务,不要输入任何密码和下载